KR101047830B1 - 액정 렌즈 소자 및 광헤드 장치 - Google Patents

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유즈루 다나베
히로마사 사토
다쿠지 노무라
류이치로 시미즈
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아사히 가라스 가부시키가이샤
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Abstract

가동부가 없는 소형 소자가 실현 가능함과 함께, 인가 전압에 따라 3치 이상의 다치 초점 거리의 전환이 가능한 렌즈 기능을 가지는 액정 렌즈 소자를 제공한다.
한 쌍의 투명 기판 (11, 12) 에 협지된 액정 (16) 에 인가하는 전압에 따라 액정 (16) 을 투과하는 광의 초점 거리를 변화시키는 액정 렌즈 소자 (10) 로서, 프레넬 렌즈 형상의 요철부 (17) 와, 액정층 (16A) 을 가지고, 액정층 (16A) 의 굴절률 n 이 전압 비인가시의 굴절률 n1 부터 전압 인가시의 굴절률 n2 까지 변화하고, 요철부 (17) 의 굴절률 ns 가 굴절률 n1 과 n2 사이의 값임과 함께 소정 관계를 만족시키며, 요철부 (17) 의 최대 깊이 (d) 가 소정 관계를 만족시킬 때, 일정 조건하에서의 액정층 (16A) 에 대한 인가 전압치의 전환에 의해 초점 거리가 전환되도록 구성하였다.
액정 렌즈 소자, 광헤드 장치

Description

액정 렌즈 소자 및 광헤드 장치{LIQUID CRYSTAL LENS ELEMENT AND OPTICAL HEAD}
기술분야
본 발명은 액정 렌즈 소자 및 광헤드 장치에 관한 것으로, 특히 복수의 인가 전압의 전환에 따라 복수의 상이한 초점 거리로 전환할 수 있는 액정 렌즈 및 이 액정 렌즈를 탑재한, 광기록 매체에 대한 정보의 기록 및/또는 재생에 사용하는 광헤드 장치에 관한 것이다.
배경기술
광입사측 면에 형성된 정보 기록층과, 이 정보 기록층을 덮는 투명 수지로 이루어지는 커버층을 가지는 광기록 매체 (이후 「광디스크」라 함) 로서 CD 용 광디스크나 DVD 용 광디스크 등이 보급되어 있다. 또 이 DVD 용 광디스크에 대한 정보의 기록 및/또는 재생 (이하 「기록·재생」이라 함) 에 이용하는 광헤드 장치에는, 광원으로서 파장이 660㎚ 대인 반도체 레이저와, NA (개구수) 가 0.6 으로부터 0.65 까지인 대물렌즈 등이 이용되고 있다.
종래, DVD 용 광디스크로서, 정보 기록층이 단층이고 커버 두께 (커버층의 두께) 가 0.6㎜ 인 광디스크 (이하 「단층 DVD 광디스크」라 함) 와, 정보 기록층이 2층인 (재생 전용 또는 재생 및 기록 가능한) 광디스크 (이하 「2층 DVD 광디스크」라 함) 가 개발되어 있다. 이 2층 DVD 광디스크에서는 정보 기록층의 간격 이 55±15㎛ 이며, 광입사측의 커버 두께가 0.56㎜ 내지 0.63㎜ 인 위치에 정보 기록층이 형성되어 있다.
그런데, 커버 두께가 0.6㎜ 인 단층 DVD 광디스크에 대해 수차가 최소가 되도록 최적으로 설계된 대물렌즈를 가지는 광헤드 장치를 이용하여 2층 DVD 광디스크를 기록·재생하는 경우, 커버 두께의 상위로 인해 구면 수차가 발생하여, 정보 기록층에 대한 입사광의 집광성이 열화된다. 특히, 기록형 2층 DVD 광디스크에서 집광성의 열화는 기록시의 집광파워 밀도의 저하를 가져와 기입 에러를 초래하므로 문제가 된다.
또, 최근 광디스크의 기록 밀도를 향상시키기 위해, 커버 두께가 100㎛ 인 광디스크 (이하 「단층 BD 광디스크」라 함) 가 개발되어 있다. 이 단층 BD 광디스크용의 기록·재생에 이용하는 광헤드 장치는 광원으로서 파장이 405㎚ 대인 반도체 레이저와, NA 가 0.85 인 대물렌즈 등이 이용된다. 이 경우, 단층 BD 광디스크의 면내에서 커버 두께가 ±5㎛ 변동하면 RMS (Root Mean Square) 파면 수차로서 약 50mλ 의 큰 구면 수차가 발생하여, 정보 기록층에 대한 입사광의 집광성이 열화되므로 문제가 된다.
또한, 커버 두께가 100㎛ 와 75㎛ 인 기록형의 2층 광디스크 (이하 「2층 BD 광디스크」라 함) 에서는, 커버 두께의 상위로 인해 발생하는 큰 구면 수차가 기입 에러를 초래하므로 문제가 된다.
종래, 이러한 광디스크 등의 커버 두께의 상위에 기인하여 발생하는 구면 수차를 보정하는 수단으로서, 가동 렌즈군이나 액정 렌즈를 이용하는 방법이 알려져 있다.
(Ⅰ) 예를 들어, 가동 렌즈군을 이용하여 구면 수차 보정을 하기 위해, 도 12 에 나타내는 바와 같은, 광디스크 (D) 의 기록·재생을 하는 광헤드 장치 (100) 가 제안되어 있다 (예를 들어 특허 문헌 1 참조).
이 광헤드 장치 (100) 는 광원 (110) 과, 각종 광학계 (120) 와, 수광 소자 (130) 와, 제어 회로 (140) 와, 변조/복조 회로 (150) 외에, 제 1, 제 2 가동 렌즈군 (160, 170) 을 구비하고 있다. 제 1 가동 렌즈군 (160) 은 오목 렌즈 (161) 와 볼록 렌즈 (162) 와 액추에이터 (163) 를 구비하고 있으며, 액추에이터 (163) 에 고정된 볼록 렌즈 (162) 를 광축 방향으로 이동시킴으로써 가동 렌즈군 (160) 의 파워가 정 (正 : 볼록 렌즈) 에서 부 (負 : 오목 렌즈) 로 연속적으로 바뀌는 초점 거리 가변 렌즈 기능을 발현한다.
이 가동 렌즈군 (160) 은, 광디스크 (D) 의 광로 중에 배치함으로써 광디스크 (D) 의 커버 두께가 상이한 정보 기록층에 입사광의 초점을 맞출 수 있기 때문에, 파워 성분을 포함한 구면 수차의 보정이 가능해진다.
그런데, 이 가동 렌즈군 (160) 을 이용한 경우, 한 쌍의 렌즈 (161, 162) 와 액추에이터 (163) 가 필요해져 광헤드 장치 (100) 의 대형화를 초래함과 함께, 렌즈를 가동시키기 위한 기구 설계가 복잡해진다는 문제가 있었다.
(Ⅱ) 또, DVD 용 광디스크와 CD 용 광디스크의 커버 두께의 상위에 기인하여 발생하는 구면 수차를 보정하기 위해서, 도 13 에 나타내는 바와 같은 액정 렌즈 (200) 을 이용한 광헤드 장치도 제안되어 있다 (예를 들어 특허 문헌 2 참조).
이 액정 렌즈 (200) 는, 평탄한 일면에 투명 전극 (210) 및 배향 필름 (220) 이 형성된 기판 (230) 과, 축대칭이고 반경 (r) 의 멱급수인 다음 식
S(r)=α1r2+α2r4+α3r6+ … …(1)
단, r2=x2+y2
α1, α2, α3, … : 상수
로 기술되는 표면 형상 S(r) 을 가지는 곡면에 투명 전극 (240) 과 배향 필름 (250) 이 형성된 기판 (260) 에 의해 협지되는 네마틱 액정 (270) 을 구비한 구성으로 되어 있다.
그런데, 이 액정 렌즈 (200) 는 투명 전극 (210, 240) 사이에 전압이 인가되면 액정 (270) 의 분자 배향이 변화하여 굴절률이 바뀐다. 그 결과, 기판 (260) 과 액정 (270) 의 굴절률차에 따라 액정 렌즈 (200) 의 입사광의 투과 파면이 변화한다.
여기에서, 기판 (260) 의 굴절률은 전압 비인가시의 액정 (270) 의 굴절률과 동일하다. 따라서, 전압 비인가시에는 입사광의 투과 파면은 변화하지 않는다. 한편, 투명 전극 (210, 240) 사이에 전압을 인가하면 기판 (260) 과 액정 (270) 에 굴절률차 (Δn) 가 발생하여 Δn×S(r) (단, S(r) 은 (1) 식 참조) 에 상당하는 투과광의 광로 길이차 분포가 생긴다. 따라서, 광디스크 (D) 의 커버 두께의 상위에 기인하여 발생하는 구면 수차를 보정하도록 기판 (260) 의 표면 형상 S(r) 를 가공하고, 인가 전압에 따라 굴절률차 (Δn) 를 조정함으로써 수차 보정이 가능해진다.
그런데, 도 13 에 기재된 액정 렌즈 (200) 의 경우, 인가 전압에 대한 액정 (270) 의 굴절률 변화는 최대 0.3 정도이기 때문에, 입사광의 집광 위치 (초점 위치) 를 변화시키는 파워 성분에 상당하는 큰 광로 길이차 분포 (Δn×S(r)) 를 발생시키기 위해서는, 표면 형상 S(r) 의 요철차를 크게 해야 한다. 그 결과, 액정 (270) 의 층이 두꺼워져, 인가 전압에 대한 광로 길이 변화의 응답 속도가 늦어진다. 특히, 단층 및 2층의 DVD 광디스크나 BD 광디스크의 기록·재생에 있어서, 커버 두께의 편차나 단층과 2층의 기록층 전환에서 발생하는 파면 수차의 보정에는 1초 이하의 응답성이 필요해지기 때문에 문제였다.
또, 이 액정 렌즈 (200) 는 파워 성분을 제외한 구면 수차만 보정함으로써 수차 보정량, 즉 광로 길이차 분포를 저감시킬 수 있기 때문에, 액정층을 얇게 할 수 있으며, 고속 응답화에 효과적이다. 그러나, 구면 수차만을 보정하도록 기판 (260) 의 표면 형상 S(r) 를 가공한 경우, 광디스크의 정보 기록층에 입사광을 집광하는 대물렌즈의 광축과 액정 렌즈의 광축이 편심되었을 때 코마 수차가 발생한다. 특히, 대물렌즈가 광디스크의 반경 방향으로 ±0.3㎜ 정도 이동하는 트래킹 동작시에 액정 렌즈와의 편심에 수반되는 큰 수차가 발생하여, 정보 기록층에 대한 집광성이 열화되어 기록·재생할 수 없다는 문제가 생긴다.
(Ⅲ) 그런데, 액정층을 두껍게 하지 않고 입사광의 초점 위치 변화에 상당하는 파워 성분도 변화하는 실질적인 렌즈 기능을 발현하기 위한 액정 렌즈로서, 광변조 소자가 제안되어 있다 (예를 들어 특허 문헌 3 참조). 또, 이 DVD 용 광디스크와 CD 용 광디스크의 커버 두께의 상위에 기인하여 발생하는 구면 수차를 보정하기 위해 광변조 소자를 이용한 광헤드 장치도 제안되어 있다. 도 14 에 광변조 소자 (300) 를 나타낸다.
이 광변조 소자 (300) 는 대략 평행한 2개의 투명 기판 (310, 320) 과 그 사이에 협지되는 액정 (330) 을 구비하고 있으며, 일방의 투명 기판 (310) 의 액정측 면이 동심원상의 블레이즈 형상을 가지는 요철부 (340) 가 되고, 2개의 투명 기판 (310, 320) 의 액정측 면에 전극 (350) 및 배향막 (360) 이 형성되어 있다. 또 액정 (330) 은 전계 비인가시에는 배향 방향이 투명 기판에 대해 대략 평행이며, 전계 인가시에는 배향 방향이 투명 기판에 대해 대략 수직이다.
여기에서, 액정 (330) 의 상광 (常光) 굴절률 no, 이상광 (異常光) 굴절률 ne 중 어느 하나를 투명 기판의 블레이즈 형상을 가지는 요철부 (340) 의 굴절률과 거의 동일한 구성으로 함으로써, 전계 비인가시와 전계 인가시에 액정 (330) 과 요철부 (340) 의 굴절률차가 Δn(=ne-no) 에서 제로까지 변화한다. 예를 들어, 요철부 (340) 의 굴절률이 no 이고, 이 요철부 (340) 의 깊이를 Δn×(요철부의 깊이)=(진공 중의 광의 파장) 으로 함으로써, 광변조 소자 (300) 는 전압 비인가시에는 거의 100% 의 회절 효율이 얻어지는 프레넬 렌즈로서 기능한다. 한편, 전압 인가시에는 액정 (330) 의 굴절률이 no 이 되어 프레넬 렌즈로서 기능하지 않고, 광 은 모두 투과한다. 그 결과, 광변조 소자 (300) 의 전극 (350) 에 인가하는 전압의 유무를 전환함으로써 2개의 초점 위치를 전환할 수 있다. 이러한 광변조 소자 (300) 를 광헤드 장치에 탑재하여 이용함으로써, DVD 용과 CD 용에서 커버 두께가 상이한 광디스크의 정보 기록층에 대한 집광성이 개선된다. 그 결과, DVD 용의 대물렌즈를 이용하여 DVD 용과 CD 용 광디스크를 기록·재생할 수 있다.
따라서, 광변조 소자 (300) 를 이용함으로써 인가 전압 유무의 전환에 의해 2치의 초점 전환은 할 수 있지만, 그 중간역의 초점에 대한 전환은 곤란하였다. 그 결과, 단층 및 2층 DVD 광디스크에서 필요한 커버 두께 0.56㎜∼0.63㎜ 에서 발생하는 구면 수차를 30mλ 이하의 RMS 파면 수차 레벨로 저감시킬 수 없었다. 또, 단층 및 2층 BD 광디스크에서도 커버 두께가 ±5㎛ 변동할 때 발생하는 구면 수차를 50mλ 이하의 RMS 파면 수차 레벨로 저감시킬 수 없었다. 그 결과, 커버 두께의 상위로 인해 발생하는 큰 구면 수차를 충분히 보정할 수 없어, 기입 에러를 초래한다는 문제를 해소할 수 없다.
특허 문헌 1 : 일본공개특허공보 2003-115127호
특허 문헌 2 : 일본공개특허공보 평5-205282호
특허 문헌 3 : 일본공개특허공보 평9-230300호
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 가동부가 없는 소형의 소자를 실현 가능함과 함께, 인가 전압에 따라 3치 (値) 이상의 다치 (多値) 초점 거리의 전환이 가능한 렌즈 기능을 가지는 액정 렌즈 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또, 이 액정 렌즈 소자를 이용함으로써, 단층 및 2층의 광디스크에서의 커버 두께의 상위에 기인하여 발생하는 구면 수차를 보정하여, 대물렌즈와의 편심에 수반되는 수차 열화가 생기지 않는, 안정된 기록 및/또는 재생을 할 수 있는 광헤드 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명은, 대향하는 한 쌍의 투명 기판과, 이 투명 기판 사이에 협지된 액정층을 구비하며, 이 액정층에 인가하는 전압의 크기에 따라 상기 액정층을 투과하는 광의 집광 위치를 변화시키는 액정 렌즈 소자에 있어서, 일방의 투명 기판의, 타방의 투명 기판과 대향하는 평탄면에 형성된 프레넬 렌즈; 이 프레넬 렌즈의 요철 형상 표면에 형성된 제 1 투명 전극; 및 상기 타방의 투명 기판의, 상기 일방의 투명 기판과 대향하는 평탄면에 형성된 제 2 투명 전극을 구비하고, 상기 액정층을 사이에 둔 제 1 투명 전극과 제 2 투명 전극 사이에 인가하는 전압 (V) 의 크기에 따라, 특정 파장 (λ) 을 가지는 직선 편광의 입사광에 대한 상기 액정층의 실질적인 굴절률 n(V) 이, 전압 비인가시의 굴절률 n1 부터 전압 인가시의 전압 변화에 수반되는 변동이 없는 충분히 포화된 굴절률 n2 (n1≠n2) 까지 변화하고, 또한 상기 프레넬 렌즈의 굴절률 ns 가 상기 굴절률 n1 과 n2 사이의 값이며, 상기 액정층과의 굴절률차 ｜n1-ns｜ 및 ｜n2-ns｜ 중 작은 쪽의 값을 δn 으로 할 때, 상기 프레넬 렌즈의 두께 (d) 가 d
Figure 112010001035082-pct00001
0.75×λ/δn 의 관계를 만족하도록 형성되며, 제 1 투명 전극과 제 2 투명 전극 사이에 인가하는 전압 (V) 중, M 개 (단, M 은 3 이상의 정수) 의 특정 인가 전압에 각각 대응하여 초점 거리가 존재하는 것을 특징으로 하는 액정 렌즈 소자를 제공한다.
이로 인해, 인가 전압 (V) 에 따라 액정층의 실질적인 굴절률 n(V) 이 변화하여, d
Figure 112006068476034-pct00002
0.75×λ/δn 의 관계식을 만족시키도록 프레넬 렌즈를 형성함으로써, 오목 렌즈 및 볼록 렌즈에 상당하는 투과 파면과 파면 변화가 없는 투과 파면을 생성할 수 있다. 여기에서, 초점 거리가 무한대인 것도 하나의 초점 거리로 생각한다.
또, 상기 액정 렌즈 소자에 있어서, 상기 프레넬 렌즈의 굴절률 ns 및 n1 과 n2 사이에서 ｜n1-ns｜
Figure 112006068476034-pct00003
｜n2-ns｜ 의 관계식을 만족시킴과 함께, 상기 프레넬 렌즈의 두께 (d) 가,
(m-0.25)×λ
Figure 112006068476034-pct00004
｜n1-ns｜×d
Figure 112006068476034-pct00005
(m+0.25)×λ (2)
(단, m=1, 2 또는 3)
의 관계식을 만족시키도록 상기 프레넬 렌즈가 형성되고, 또한, 상기 특정 인가 전압 (Vk) 을 인가했을 때 상기 액정층의 굴절률 n(Vk) 이 다음식
n(Vk)=n1+[(m-k)×(ns-n1)]/m
(단, k 는 -m
Figure 112006068476034-pct00006
k
Figure 112006068476034-pct00007
m 을 만족시키는 정수)
의 관계를 만족시킬 때, 상기 M 은 2m+1 로 나타나며, 그 M 개의 인가 전압 (Vk) 에 대응하여 초점 거리가 M 개 존재하는 것을 특징으로 하는 액정 렌즈 소자를 제공한다.
이로 인해, 프레넬 렌즈의 두께 (d) 가 (2) 식을 만족시킴으로써, 3치 이상의 투과 파면 전환이 가능한 다치 초점 거리 가변 액정 렌즈가 실현된다. 즉, 인가 전압 (Vk) 의 전환에 따라, m=1 인 경우에는 3치, m=2 인 경우에는 5치, m=3 인 경우에는 7치의 초점 거리의 전환이 가능하다. 그 결과, 종래의 블레이즈 형상 기판과 액정을 이용한 프레넬 렌즈 (특허 문헌 3) 에서는, 2치의 초점 거리의 전환뿐이라서 적용 범위에 제한이 있었지만, 보다 광범위한 응용에 적용할 수 있다.
또, 상기 프레넬 렌즈가 계단 형상으로 근사되어 있는 상기 액정 렌즈 소자를 제공한다.
프레넬 렌즈 또는 프레넬 렌즈를 계단 형상으로 근사시킨 단면 형상을 가지는 요철부의 오목부에 액정을 충전하고 있기 때문에, 큰 광로 길이차에 상당하는 파워 성분을 발생시키면서도 액정층의 두께를 얇게 할 수 있다. 그 결과, 고속의 초점 거리 전환이 실현된다. 바꿔 말하면, 가동부가 없고 소형화가 가능하면서 인가 전압에 따라 안정된 파워 성분을 포함한 구면 수차 보정을 할 수 있는 렌즈 기능을 가지는 액정 렌즈 소자를 제공할 수 있다.
또, 상기 프레넬 렌즈는 복굴절 재료로 구성되며, 복굴절 재료의 이상광 굴절률이 상기 ns 에 대응하고, 복굴절 재료의 상광 굴절률이 상기 액정층의 상광 굴 절률에 동일한 상기 액정 렌즈 소자를 제공한다.
또, 상기 프레넬 렌즈가 SiOxNy (여기에서 0
Figure 112006068476034-pct00008
x
Figure 112006068476034-pct00009
2, 0
Figure 112006068476034-pct00010
y
Figure 112006068476034-pct00011
1 및 0<x+y 이다) 로 구성되어 있는 청구항 1, 2 또는 3 에 기재된 액정 렌즈 소자를 제공한다.
또 파장 (λ) 의 광을 출사하는 광원과, 이 광원으로부터의 출사광을 광기록 매체에 집광하는 대물렌즈와, 이 대물렌즈에 의해 집광되고 상기 광기록 매체에 의해 반사된 광을 분파하는 빔 스플리터와, 그 분파된 광을 검출하는 광검출기를 구비한 광헤드 장치에 있어서, 상기 광원과 상기 대물렌즈 사이의 광로 중에 상기 액정 렌즈 소자가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광헤드 장치를 제공한다.
이러한 액정 렌즈 소자를 구비한 광헤드 장치로 함으로써, 광기록 매체인 단층 및 2층 광디스크에 있어서, 커버 두께의 상위 또는 광디스크 내의 커버 두께 편차에 기인하여 발생하는 파워 성분을 포함한 구면 수차를 유효하게 보정할 수 있다. 또, 대물렌즈가 트래킹시에 액정 렌즈 소자와 편심이 생긴 경우에서도 수차 열화가 적기 때문에, 액정 렌즈 소자를 대물렌즈와 일체로 액추에이터에 탑재할 필요가 없다. 그 결과, 액정 렌즈 소자의 광헤드 장치에서의 배치상 제약이 경감됨과 함께 정보 기록면에 대한 집광성이 향상되어, 안정된 기록·재생을 할 수 있는 광헤드 장치가 실현된다.
상기 광기록 매체는, 정보 기록층을 덮는 커버층을 가지고, 이 커버층의 두께가 상이한 광기록 매체에 정보의 기록 및/또는 재생을 실시하는 상기 광헤드 장치를 제공한다.
또, 파장 (λ) 의 광을 출사하는 광원과, 이 광원으로부터의 출사광을 광기록 매체에 집광하는 대물렌즈와, 이 대물렌즈에 의해 집광되고 상기 광기록 매체에 의해 반사된 광을 분파하는 빔 스플리터와, 그 분파된 광을 검출하는 광검출기를 구비한 광헤드 장치의 상기 광원과 상기 대물렌즈 사이의 광로 중에 상기 액정 렌즈 소자가 설치되어 있고, 액정 렌즈 소자의 투명 전극 사이에 M 개 (단, M 은 3 이상의 정수) 의 특정 인가 전압 (Vk) 이 인가되어 이용되는 광헤드 장치의 사용 방법을 제공한다.
또한, 상기 광기록 매체는 정보 기록층을 덮는 커버층을 가지고, 이 커버층의 두께가 상이한 광기록 매체에 대한 기록 및/또는 재생을 하는 상기 광헤드 장치에 탑재한 액정 렌즈 소자의 투명 전극 사이에 M 개 (단, M 은 3 이상의 정수) 의 특정 인가 전압 (Vk) 이 인가되어 이용되는 광헤드 장치의 사용 방법을 제공한다.
발명의 효과
본 발명에 의하면, 인가 전압에 따라 3치 이상의 투과 파면 전환이 가능한 다치 초점 거리 가변 액정 렌즈를 실현할 수 있다. 또한, 프레넬 렌즈 또는 프레넬 렌즈를 계단 형상으로 근사시킨 단면 형상을 가지는 요철부의 오목부에 액정을 충전하고 있기 때문에, 큰 광로 길이차에 상당하는 파워 성분을 발생시키면서도 액정층의 두께를 얇게 할 수 있다. 따라서, 고속 응답으로 이어짐과 함께 가동부가 없어 소형화가 가능하면서 인가 전압에 따라 안정된 파워 성분을 포함한 구면 수차 보정을 할 수 있는 렌즈 기능을 가지는 액정 렌즈 소자를 제공할 수 있다.
또, 이러한 액정 렌즈 소자를 구비한 광헤드 장치로 함으로써, 단층 및 2층 광디스크에서의 커버 두께의 상위 및 광디스크 내의 커버 두께 편차에 기인하여 발생하는 파워 성분을 포함한 구면 수차를 유효하게 보정할 수 있다. 또, 트래킹시에 대물렌즈가 액정 렌즈 소자와 편심이 생긴 경우에도 수차 열화가 적기 때문에, 안정된 기록·재생을 할 수 있는 광헤드 장치가 실현된다.
도면의 간단한 설명
도 1 은 본 발명에 관련된 제 1 실시 형태의 액정 렌즈 소자의 구성을 나타내는 종단면도.
도 2 는 도 1 에 나타내는 액정 렌즈 소자의 구성을 나타내는 횡단면도.
도 3 은 제 1 실시 형태에 관련된 액정 렌즈에 의해 생성되는 투과 파면의 광로 길이차를 나타내는 그래프이며, α 는 가로축을 반경 (r) 으로 하여 광로 길이차를 파장 (λ) 단위로 표기한 그래프. β 는 α 에서 파장 (λ) 의 정수배를 뺀, -λ 이상 0 이하의 광로 길이차로 한 그래프. γ 는 광로 길이차 0 인 면에 대하여 β 와 면대칭인 광로 길이차를 나타내는 그래프.
도 4 는 제 1 실시 형태의 액정 렌즈 소자에 대한 인가 전압을 전환했을 때의 작용을 나타내는 측면도로서, 도 4 의 (A) 는 인가 전압 (V+1) 일 때의 발산 투과 파면을 나타낸다. 도 4 의 (B) 는 인가 전압 (V0) 일 때의 파면 변화가 없는 투과 파면을 나타낸다. 도 4 의 (C) 는 인가 전압 (V-1) 일 때의 수렴 투과 파면을 나타낸다.
도 5 는 본 발명에 관련된 제 2 실시 형태의 액정 렌즈 소자의 구성을 나타 내는 종단면도.
도 6 은 제 2 실시 형태의 액정 렌즈에 의해 생성되는 투과 파면의 광로 길이차를 나타내는 그래프로서, α 는 가로축을 반경 (r) 으로 하여 광로 길이차를 파장 (λ) 단위로 표기한 그래프. β2 는 α 에서 파장 (2λ) 의 정수배를 뺀, -2λ 이상 0 이하의 광로 길이차로 한 그래프. β1 은 β2 의 광로 길이차를 절반으로 한 광로 길이차를 나타내는 그래프. γ1 은 광로 길이차 0 인 면에 대해 β1 과 면대칭인 광로 길이차를 나타내는 그래프. γ2 는 광로 길이차 0 인 면에 대해 β2 와 면대칭인 광로 길이차를 나타내는 그래프.
도 7 은 제 2 실시 형태의 액정 렌즈 소자에 대한 인가 전압을 전환했을 때의 작용을 나타내는 설명도로서, 도 7 의 (A) 는 인가 전압 (V+2) 일 때의 발산 투과 파면을 나타낸다. 도 7 의 (B) 는 인가 전압 (V+1) 일 때의 발산 투과 파면을 나타낸다. 도 7 의 (C) 는 인가 전압 (V0) 일 때의 파면 변화가 없는 투과 파면을 나타낸다. 도 7 의 (D) 는 인가 전압 (V-1) 일 때의 수렴 투과 파면을 나타낸다. 도 7 의 (E) 는 인가 전압 (V-2) 일 때의 수렴 투과 파면을 나타낸다.
도 8 은 액정 분자의 배향 방향이 서로 직교하도록 2개의 액정 렌즈 소자가 적층된 본 발명의 제 3 실시 형태의 액정 렌즈 소자의 구성을 나타내는 종단면도.
도 9 는 본 발명의 액정 렌즈 소자를 탑재한 제 4 실시 형태의 광헤드 장치를 나타내는 구성도.
도 10 은 본 발명의 액정 렌즈 소자가 탑재된 광헤드 장치를 이용하여, 커버 두께가 상이한 DVD 광디스크에 대해 발생하는 파면 수차의 계산치를 나타내는 그래프.
도 11 은 본 발명의 액정 렌즈 소자가 탑재된 광헤드 장치를 이용하여, 커버 두께가 상이한 BD 광디스크에 대해 발생하는 파면 수차의 계산치를 나타내는 그래프.
도 12 는 가동 렌즈군이 탑재된 종래의 광헤드 장치를 나타내는 구성도.
도 13 은 종래의 액정 렌즈의 구성예를 나타내는 종단면도.
도 14 는 종래의 광변조 소자 (액정 회절 렌즈) 의 구성예를 나타내는 종단면도.
*부호의 설명*
10, 20, 30 : 액정 렌즈 소자
11, 12, 12A, 12B : 투명 기판
13, 13A, 13B : 제 1 투명 전극
14, 14A, 14B : 제 2 투명 전극
15, 15A, 15B : 시일
16 : 액정
16A, 16B, 16C, 16D : 액정층
17, 17A, 17B, 17C, 17D : 요철부
18 : 교류 전원
131, 141 : 전극
40 : 광헤드 장치
D : 광디스크
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.
[제 1 실시 형태]
본 발명의 제 1 실시 형태에 관련된 액정 렌즈 소자 (10) 의 구성예에 대해, 도 1 에 나타내는 측면도와 도 2 에 나타내는 평면도를 참조하면서 상세하게 설명한다.
본 실시 형태의 액정 렌즈 소자 (10) 는, 투명 기판 (11, 12) 과, 투명 전극 (13, 14) 과, 시일 (15) 과, 액정 (액정층 ; 16) 과, 요철부 (17) 와, 교류 전원 (18) 을 구비하고 있다.
이 중 요철부 (17) 는 프레넬 렌즈 또는 프레넬 렌즈를 계단 형상으로 근사시킨 형상을 가지는 것으로, 굴절률 ns 의 투명 재료를 이용해 형성하고 있으며, 유효 직경 (φ) 의 영역에서는 입사광의 광축 (Z 축) 에 관해 회전 대칭성을 가진다.
다음에, 이 액정 렌즈 소자 (10) 의 제작 순서의 일례에 대해 이하에 설명한다.
먼저 투명 기판 (11) 의 일방의 평탄면 (도 1 에서는 상면) 에, 굴절률 ns 의 투명 재료에 의해 프레넬 렌즈 또는 프레넬 렌즈를 계단 형상으로 근사시킨 형상의 요철부 (17) 를 형성한다. 그리고 이 요철부 (17) 의 표면에 제 1 투명 전극 (13) 을 형성한다.
한편, 투명 기판 (12) 에 제 2 투명 전극 (14) 을 형성한 후, 이 투명 기판 (12) 에, 갭 제어재가 혼입된 접착재를 인쇄 패터닝하여 시일 (15) 을 형성하고, 이 투명 기판 (12) 과 상기 서술한 투명 기판 (11) 이 소정의 간극을 유지하도록 하여 겹쳐, 압착해서 빈 셀을 제작한다. 다음에, 시일 (15) 의 일부에 형성된 주입구 (도시 생략) 로부터 상광 굴절률 no 및 이상광 굴절률 ne (단, no≠ne) 을 가지는 네마틱형 액정 (16) 을 주입하고, 이 주입구를 막고 액정 (16) 을 셀 내에 밀봉하여 액정층을 형성하여, 본 실시 형태의 액정 렌즈 소자 (10) 로 한다. 또, 액정층 내에 대한 이물 등의 혼입에 의해 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 이 단락되는 것을 방지하기 위해, 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 의 최단 간격이 2㎛ 이상이 되도록 갭 제어재를 선정하는 것이 바람직하다. 그리고 제 2 투명 전극 (14) 의 표면에 투명 절연체막 (도시 생략) 을 막두께 10∼200㎚ 정도 성막하여 단락 방지로 하는 것이 바람직하다.
이렇게 하여 요철부 (17) 의 적어도 오목부에 액정 (16) 이 충전된 액정 렌즈 소자 (10) 의 제 1, 제 2 투명 전극 (13, 14) 에 교류 전원 (18) 을 이용하여 구형파의 교류 전압을 인가함으로써 액정 (16) 의 분자 배향이 변화하여, 액정층의 실질적인 굴절률이 n1 부터 n2 (n1≠n2) 까지 변화한다. 여기에서, 액정 (16) 으로 이루어지는 액정층 (이것을 액정층 (16A) 이라 함) 의 실질적인 굴절률이란, 입사광의 편광 방향에 대한 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 에 의해 협지된 액정층 (16A) 의 평균 굴절률을 의미하며, (광로 길이)÷(액정층 간격) 에 상당한다. 그 결과, 입사광의 특정 직선 편광에 대하여 인가 전압의 크기에 따라 액정층 (16A) 과 요철부 (17) 의 굴절률차 Δn(V) 가 변화하여, 액정 렌즈 소자 (10) 의 투과광의 파면이 변화한다.
여기에서, 투명 재료로 이루어지는 요철부 (17) 는 자외선 경화 수지나 열경화 수지, 감광성 수지 등의 유기 재료이어도 되고, SiO2 나 Al2O3 나 SiOxNy (단, x, y 는 O 와 N 의 원소 비율을 나타내고, 0
Figure 112010001035082-pct00012
x
Figure 112010001035082-pct00013
2, 0
Figure 112010001035082-pct00014
y
Figure 112010001035082-pct00015
1 및 0<x+y 이다) 등의 무기 재료이어도 된다. 또한 균일 굴절률 재료 또는 복굴절 재료이어도 된다. 중요한 것은, 인가 전압에 따라 액정층 (16A) 의 굴절률 변화가 생기는 입사광의 편광 방향에 대해, n1 과 n2 사이에 있음과 함께 ｜n1-ns｜
Figure 112010001035082-pct00017
｜n2-ns｜ 의 관계를 만족시키는 굴절률 ns 의 투명 재료이면 된다.
또한, 요철부 (17) 는 투명 기판 (11) 의 평탄면에 소정 막두께의 투명 재료층을 형성한 후, 포토리소그래피나 반응성 이온 에칭에 의해 요철 형상으로 가공해도 되고, 금형을 이용하여 투명 재료층에 요철부 형상을 전사해도 된다.
또, 인가 전압에 대해 액정층 (16A) 의 실질적인 굴절률의 큰 변화를 얻기 위해서, 이 요철부 (17) 의 오목부에 충전되는 액정층 (16A) 의 분자의 배향 방향은 투명 전극 (13 및 14) 의 면상에 모여 있는 것이 바람직하다.
여기에서, 액정층 (16A) 의 네마틱 액정 분자의 배향 방향에 대해서는, 예를 들어 이하의 3종류가 있다.
ⅰ) 액정 (16) 의 이상광 굴절률 방향의 비유전율과 상광 굴절률 방향의 비유전율의 차인 유전율 이방성 (Δε) 이 정인 경우, 도 1 에 있어서, 제 1, 제 2 투명 전극 (13 및 14) 의 표면에 액정 분자의 배향 방향이 투명 기판 (11, 12) 의 일면 (이것을 기판면이라 함) 에 대략 평행해지는 폴리이미드 등의 배향막 (도시 생략) 을 도포하여, 경화 후에 X축 방향으로 러빙 처리한다. 이로 인해, X축 방향으로 액정 분자의 배향 방향 (즉 이상광 굴절률 ne 의 방향) 이 모이는 호모지니어스 배향이 된다. 또한, 폴리이미드의 러빙 처리 이외에 산화 규소의 경사 증착막이나 광배향막 등을 이용하여 액정 분자의 배향을 모아도 된다. 여기에서, 제 1, 제 2 투명 전극 (13, 14) 에 교류 전압 (V) 을 인가함으로써 X축 방향의 편광면을 가지는 직선 편광의 입사광에 대해 액정층 (16A) 의 실질적인 굴절률 n(V) 이 n1(=ne) 부터 n2(=no) 까지 변화한다.
이 구성에 의해, 저전압으로 액정층 (16A) 의 실질적인 굴절률의 큰 변화를 얻을 수 있기 때문에, 투명 요철 전극 기판면을 형성하는 요철부 (17) 의 최대 깊이 (d) 를 비교적 작은 값으로 할 수 있다. 그 결과, 요철부 (17) 의 형성 공정이 단축됨과 함께, 액정층 (16A) 을 얇게 할 수 있기 때문에 고속 응답화로 이어진다.
ⅱ) 제 1 투명 전극 (13) 의 표면에, 액정 분자의 배향 방향이 기판면에 대략 수직이 되는 폴리이미드 등의 배향막 (도시 생략) 을 도포 후 경화시킨다. 한편, 평탄한 제 2 투명 전극 (14) 의 표면에는 액정 분자의 배향 방향이 기판면에 평행이 되는 폴리이미드 등의 배향막 (도시 생략) 을 도포·경화 후, X축 방향으로 러빙 처리한다. 그 결과, 액정 분자의 배향 방향이 요철부 (17) 의 투명 전극 (13) 에서는 기판면에 대해 대략 수직방향으로 모이고, 제 2 투명 전극 (14) 에서는 기판면에 대해서 대략 평행 방향으로 모이는 하이브리드 배향이 된다. 이 경우, 요철부 (17) 에 배향 처리가 불필요하기 때문에 균일한 액정 배향을 얻기 쉽다. 여기에서, 제 1, 제 2 투명 전극 (13, 14) 에 교류 전압 (V) 을 인가함으로써 X축 방향으로 편광면을 가지는 직선 편광의 입사광에 대해 액정층의 실질적인 굴절률 n(v) 이 n1(=[ne+no]/2) 부터 n2(=no) 까지 변화한다.
이 구성에 의해, 액정층 (16A) 의 배향은 제 2 투명 전극 (14) 의 기판면상의 배향 처리된 배향막에 의해 규정되기 때문에, 제 1 투명 전극 (13) 의 기판면상의 배향막의 배향 처리 없이도 액정층 (16A) 의 배향 방향은 안정된다. 그 결과, 요철 기판면의 배향 불량에 기인한 투과광의 효율 열화 등을 경감시킬 수 있다.
ⅲ) 인가 전압에 대해, 전계와 수직 방향으로 액정의 배향이 모이는 유전율 이방성 (Δε) 이 부 (負) 인 액정을 이용하여, 제 1, 제 2 투명 전극 (13, 14) 의 표면에 액정 분자의 배향 방향이 기판면에 대략 수직이 되는 폴리이미드 등의 배향막 (도시 생략) 을 도포한 후 경화시킨다. 그리고 제 2 투명 전극 (14) 의 배향막에만 X축 방향으로 러빙 처리한다. 그 결과, 액정 분자의 배향 방향이 투 명 전극 (13 및 14) 의 기판면에 대해 대략 수직 방향으로 모이는 수직 배향이 된다. 요철부 (17) 의 면에 배향 처리를 할 필요가 없기 때문에, 균일한 액정 배향을 얻기 쉽다. 여기에서, 투명 전극 (13, 14) 에 전압 (V) 을 인가함으로써 X축 방향으로 편광면을 가지는 직선 편광의 입사광에 대해 액정층 (16A) 의 실질적인 굴절률 n(V) 이 n1(=no) 부터 n2(=ne) 까지 변화한다.
이 구성에 의해 저전압으로 액정층 (16A) 의 실질적인 굴절률의 큰 변화를 얻을 수 있기 때문에, 프레넬 렌즈를 형성하는 요철부 (17) 의 최대 깊이 (d) 를 비교적 작은 값으로 할 수 있다. 그 결과, 요철부 (17) 의 형성 공정이 단축됨과 함께 액정층 (16A) 을 얇게 할 수 있기 때문에 고속 응답화로 이어진다. 또한, 액정층 (16A) 의 배향은 제 2 투명 전극 (14) 면상의 배향 처리된 배향막에 의해 규정되기 때문에, 제 1 투명 전극 (13) 면상의 배향막의 배향 처리 없이도 액정층 (16A) 의 배향 방향은 안정된다. 그 결과, 기판면의 배향 불량에 기인한 투과광의 효율 열화 등을 경감시킬 수 있다.
또한, 투명 기판 (11) 측에 형성된 전극 (141) 을 통해 제 2 투명 전극 (14) 에 전압을 인가하기 위해서, 미리 시일 (15) 에 도전성 금속 입자를 혼입하여 시일 압착함으로써 시일 두께 방향으로 도전성을 발현시켜, 제 2 투명 전극 (14) 과 전극 (141) 을 도통시킨다. 제 1 투명 전극 (13) 에 접속된 전극 (131) 과 제 2 투명 전극 (14) 에 접속된 전극 (141) 에 교류 전원 (18) 을 접속함으로써 액정층 (16A) 에 전압을 인가할 수 있다.
다음에, 프레넬 렌즈 또는 프레넬 렌즈를 계단 형상으로 근사시킨 요철부 (17) 의 단면 형상에 대해 이하에 설명한다.
본 발명의 액정 렌즈 소자 (10) 를 광헤드 장치에 탑재하여, 광디스크의 커버 두께의 상위에 기인하여 발생하는 구면 수차를 보정하는 투과 파면을 생성함과 함께, 대물렌즈와의 편심에 대해 수차 발생이 없도록 정 또는 부의 파워 성분이 부여된 투과 파면을 생성하기 위해서, 액정 렌즈 소자 (10) 에 입사하는 평면파의 투과 파면에 있어서 광축 중심 (좌표 원점 : x=y=0) 의 광선에 대해 반경 (r) 떨어진 위치를 통과하는 광선의 광로 길이차 (OPD) 가 다음식과 같은 멱급수로 기술되도록 한다.
OPD(r)=a1r2+a2r4+a3r6+a4r8+ …(3)
단, r2=x2+y2
a1, a2, … ; 상수 (후술하는 [표 1], [표 2] 참조)
여기에서, (3) 식의 곡선의 구체적인 예를 도 3 에 부호 α 로 나타낸다. 가로축은 반경 (r) 으로, 세로축은 광로 길이차 (OPD) 를 입사광의 파장 (λ) 의 단위로 표기하고, α의 그래프는 (3) 식의 중심축 (r=0) 을 포함한 단면을 나타낸다.
액정 렌즈 소자 (10) 에 있어서, 파장 (λ) 의 입사광에 대해 λ의 정수배의 광로 길이차를 가지는 투과 파면은 동등하다고 볼 수 있다. 따라서, 도 3 의 α 로 나타내는 그래프 (광로 길이차) 를 파장 (λ) 의 간격으로 분할하여 광로 길 이차 0 인 면에 투영한 광로 길이차를 나타내는 그래프 β 는 그래프 α 와 실질적으로 동등하다. 한편, 그래프 β 에 나타내는 광로 길이차는 모두 λ 이내 (도면 중에서는 -λ 에서 0 의 범위) 이며, 프레넬 렌즈 형상으로 되어 있다. 이것이 도 1 에 나타내는 액정 렌즈 소자 (10) 에서 요철부 (17) 의 형상이 된다.
다음에, 제 1, 제 2 투명 전극 (13, 14) 에 전압 (V) 을 인가했을 때, 이상광 편광의 광에 대한 액정층 (16A) 의 실질적인 굴절률을 n(V) 로 하면, 투명 재료로 이루어지는 액정 (16) 과 요철부 (17) 의 굴절률차는 Δn(V)=n(V)-ns 이다. 또한, ns 는 상기 서술한 바와 같이 투명 재료로 이루어지는 요철부 (17) 의 굴절률이다.
예를 들어, 인가 전압 (V+1) 에 있어서, 도 3 의 그래프 β 에 상당하는 투과 파면의 광로 길이차를 생성하기 위해서는, 도 1 에 나타내는 요철부 (17) 의 깊이 (d) 를, 다음 식의 관계를 만족시키는 값으로 뚫어 설치하면 된다.
d=λ/｜Δn(V+1)｜ …(4)
단, λ ; 입사광의 파장
Δn(V+1)=n(V+1)-ns=n1-ns
즉, 이것은 n1-ns>0 의 경우이며, (2) 식에 있어서, m=1 인 경우의 깊이에 상당한다.
여기에서, 인가 전압 (V) 을 변화시킴으로써 굴절률차 Δn(V) 가 변화한다. 예를 들어, ⅰ) Δn(V0)=0 이 되는 인가 전압 (V0) 에 있어서, 액정 렌즈 소자 (10) 의 투과 파면은 변화하지 않는다. 또,
ⅱ) Δn(V-1)=-Δn(V+1) 이 되는 인가 전압 (V-1) 에 있어서, 도 3 의 그래프 γ 에 나타내는 광로 길이차의 투과 파면이 생긴다. 이것은 광로 길이차 0 인 면에 대해 도 3 의 그래프 β 와 면대칭인 광로 길이차의 투과 파면에 상당한다.
여기에서, 요철부 (17) 는 액정층 (16A) 의 실질적인 굴절률이 n(V+1) 및 n(V-1) 일 때, 도 3 의 그래프 β 및 그래프 γ 에 상당하는 광로 길이차 공간 분포가 되도록 프레넬 렌즈 또는 프레넬 렌즈를 계단 형상으로 근사시킨 단면 형상으로 가공되어 있다.
또, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 요철부 (17) 의 중심부를 볼록하게 함으로써 액정층 (16A) 의 평균 층 두께를 저감시킬 수 있다. 그 결과, 고속 응답화로 이어짐과 함께 사용하는 액정 재료량도 감소하기 때문에 바람직하다.
본 실시 형태의 액정 렌즈 소자 (10) 에 있어서, 요철부 (17) 를 형성하는 투명 재료의 굴절률 ns 을, n1 과 n2 사이의 값인 것과 함께 ｜n1-ns｜
Figure 112006068476034-pct00018
｜n2-ns｜ 의 관계식을 만족시키도록 선택하면,
Δn(V0)=0,
Δn(V-1)=-Δn(V+1)
이 되는 전압치 V+1<V0<V-1 이 반드시 존재한다.
또한, 액정층의 실질적인 굴절률 n(V) 은 온도에 따라 변화하며, 고온일수록 저하된다. 따라서, 액정 렌즈 소자의 사용 온도 범위가 -10℃ 부터 80℃ 까지 변화하면, 고온 지역, 즉 80℃ 에서 (4) 식을 만족시키는 요철부 (17) 의 깊이 (d) 로 하는 것이 바람직하다. 즉, 실온에 있어서 d=0.75×λ/｜Δn(V+1)｜ 로 하면, 사용 온도 범위에서 전압치 V+1<V0<V-1 이 반드시 존재한다.
따라서, 교류 전원 (18) 을 이용하여 인가 전압 V+1, V0, V-1 를 전환함으로써 3종류의 투과 파면을 선택적으로 전환하는 것이 가능해진다.
여기에서, 인가 전압 V+1 및 V-1 에 있어서, 그래프 β 및 그래프 γ 에 상당하는 투과 파면을 효율적으로 생성하기 위해서는, 요철부 (17) 를 프레넬 형상 또는 프레넬 렌즈를 N 단의 계단 형상으로 근사시킨 형상으로 하고, 요철부 (17) 의 최대 깊이 (d) 가, 다음 식
d=[(N-1)/N]×λ/｜Δn(V+1)｜
을 만족시키는 것이 바람직하다.
여기에서, 생성되는 투과 파면의 효율을 70% 이상으로 하기 위해서는, N 을 4 이상으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 다음 식
0.75×λ
Figure 112006068476034-pct00019
｜n1-ns｜×d
Figure 112006068476034-pct00020
λ
를 만족시키는 d 로 하는 것이 바람직하다. 이것은, (2) 식에서 m=1 인 경우에 상당한다. 같은 이유로, m=2 및 3 에서도 (2) 식을 만족시키는 d 로 하는 것이 바람직하다.
여기에서, Δn(V+1)=n1-ns>0 인 경우, 인가 전압 V+1, V0, V-1 에서 액정 렌즈 소자 (10) 에 입사한 파장 (λ) 의 직선 편광의 평면파는 각각 도 4 의 (A), (B), (C) 에 나타내는 투과 파면이 되어 출사된다. 즉, 제 1, 제 2 투명 전극 (13, 14) 의 인가 전압의 크기에 따라 부의 파워, 파워 없음, 정의 파워에 대응하는 렌즈 기능이 얻어진다.
또한, Δn(V+1)<0 인 경우에는 V+1 및 V-1 에서 도 4 의 (C) 와 (A) 에 대응하는 정의 파워 및 부의 파워에 상당하는 투과 파면이 되어 출사된다.
또, 본 실시 형태에서는, (3) 식에서 기술되는 축대칭의 광로 길이차 (OPD) 를 생성하는 액정 렌즈 소자 (10) 의 경우에 대해 그 소자 구조 및 동작 원리에 대해 설명하였지만, (3) 식 이외의 축비대칭인 코마 수차나 비점수차 등의 보정에 상당하는 광로 길이차 (OPD) 를 생성하는 액정 소자도, 동일한 원리로 요철부의 가공 및 그 오목부에 대한 액정 충전에 의해 제작할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 액정층 (16) 의 굴절률 n(V) 이 인가 전압 (V) 에 따라 n1 부터 n2 까지 변화하는 입사광의 직선 편광에 대해, 요철부 (17) 를 굴절률 ns 의 투명 재료로 하고 있다. 여기에서 이용하는 요철부 (17) 의 투명 재료는 균일 굴절률 재료이어도 되고, 분자 배향 방향이 기판면 내에서 한방향으로 모인 고분자 액정 등의 복굴절 재료를 이용해도 된다. 복굴절 재료를 이용하는 경우, 그 이상광 굴절률을 ns 로 하고, 상광 굴절률을 액정의 상광 굴절률 no 과 동일하게 함과 함께, 복굴절 재료의 이상광 굴절률의 방향을 액정층 (16) 의 액정 분자의 배향 방향과 일치시키는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 함으로써, 상광 편광 입사광에 대해 인가 전압의 크기에 관계없이 액정과 복굴절 재료의 상광 굴절률이 일치하기 때문에, 투과광 파면은 변화하지 않는다.
또, 본 실시 형태에서는, 모두 베타 전극인 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 의 2단자를 이용하여 액정층 (16) 에 교류 전압을 인가하는 구성을 나타내었다. 이것 외에 예를 들어 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 중 적어도 일방의 전극이 공간적으로 분할되어 독립하여 상이한 교류 전압을 인가할 수 있는 구성으로 해도 된다. 또, 이 공간적으로 분할된 투명 전극을 원하는 전기 저항을 가지는 저항막으로 하여, 2개 이상의 급전점을 형성하여 반경 방향으로 인가 전압 분포를 부여하고, 액정에 인가되는 전압이 반경 방향으로 경사 분포하도록 해도 된다. 이러한 분할 전극 또는 저항막 전극의 구조로 함으로써, 더욱 다양한 광로 길이차 (OPD) 의 공간 분포를 생성할 수 있다. 그 결과, 도 4 의 (A), (B), (C) 에 나타내는 것 이외의 투과 파면을 생성할 수 있다.
또, 액정 렌즈 소자 (10) 에 위상판, 회절 격자, 편광 홀로그램 빔 스플리터, 일정한 고정 수차의 보정면 등을 일체화 형성해도 된다. 그 결과, 광헤드 장치 등에 탑재하여 이용하는 경우, 부품 점수를 삭감할 수 있음과 함께 장치의 소형화로 이어진다.
[제 2 실시 형태]
본 발명의 제 2 실시 형태에 관련된 액정 렌즈 소자 (20) 의 구성예에 대해 도 5 에 나타낸 측면도를 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 제 1 실시 형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 중복 설명을 생략한다.
본 실시 형태의 액정 렌즈 소자 (20) 에서는, 요철부 (17B) 의 최대 깊이 (d) 가 상기 서술한 (2) 식의 m=2 인 경우의 깊이에 상당하고 있는 점이, 제 1 실시 형태의 액정 렌즈 소자 (10) 와 다르다. 그것에 수반되어 액정층 (16B) 의 두께 분포도 다르다.
이하에, 본 실시 형태에 관련된 액정 렌즈 소자 (20) 의 요철부 (17B) 에 대해 설명한다. 도 6 의 α 는 도 3 의 α 와 마찬가지로 (3) 식에서 표기되는 광로 길이차 (OPD) 를 나타내는 그래프이다. 또, 도 6 의 α 를 파장 (λ) 의 2배 간격 (즉, 2λ) 으로 분할하여 광로 길이차 0 인 면에 투영한 광로 길이차를 도 6 의 그래프 β2 에 나타낸다. 이 그래프 β2 는 그래프 α 와는 실질적으로 동등하고, 그래프 β2 에 나타내는 광로 길이차는 모두 2λ 이내 (도면 중에서는 -2λ 에서 0 의 범위) 이며, 단면이 프레넬 렌즈 형상으로 되어 있다.
인가 전압 (V+2) 에 있어서, 도 6 의 그래프 β2 에 상당하는 투과 파면의 광로 길이차를 생성하기 위해서는, 도 5 에 나타내는 요철부 (17B) 의 깊이 (d) 를 다음 식의 관계를 만족시키는 값으로 뚫어 설치하면 된다.
d=2λ/｜Δn(V+2)｜ …(5)
단, λ: 입사광의 파장
Δn(V+2)=n(V+2)-ns=n1-ns
이것은, n1-ns>0 인 경우에, (2) 식에 있어서 m=2 인 경우의 깊이에 상당한다.
여기에서, 인가 전압 (V) 을 변화시킴으로써 굴절률차 Δn(V) 가 변화한다. 예를 들어, ⅰ) Δn(V0)=0 이 되는 인가 전압 (V0) 에 있어서, 액정 렌즈 소자 (20) 의 투과 파면은 변화하지 않는다. 또,
ⅱ) Δn(V+1)=Δn(V+2)/2 가 되는 인가 전압 (V+1) 에 있어서, 도 6 의 그래프 β1 에 나타내는 광로 길이차의 투과 파면이 생긴다. 이것은, 광로 길이차 0 인 면에 대해 그래프 β2 에 나타내는 광로 길이차를 절반으로 한 투과 파면에 상당함과 함께, 그래프 α 의 광로 길이차를 절반으로 한 투과 파면에도 상당한다. 또, 그래프 β1 에 나타내는 광로 길이차는 모두 λ 이내 (도면 중에서는 -λ 로부터 0 의 범위) 이다.
ⅲ) Δn(V-1)=-Δn(V+1) 이 되는 인가 전압 (V-1) 에 있어서, 그래프 γ1 에 나타내는 광로 길이차의 투과 파면이 생긴다. 이것은, 광로 길이차 0 인 면에 대해 그래프 β1 와 면대칭인 광로 길이차의 투과 파면에 상당한다.
ⅳ) Δn(V-2)=-Δn(V+2) 가 되는 인가 전압 (V-2) 에 있어서, 그래프 γ2 에 나타내는 광로 길이차의 투과 파면이 생긴다. 이것은, 광로 길이차 0 인 면에 대해 그래프 β2 와 면대칭인 광로 길이차의 투과 파면에 상당함과 함께, 그래프 γ1 에 나타내는 광로 길이차를 2배로 한 투과 파면에 상당한다.
요철부 (17B) 는 액정층 (16B) 의 실질적인 굴절률이 n(V+2) 및 n(V-2) 일 때, 도 6 의 그래프 β2 및 그래프 γ2 에 상당하는 광로 길이차 공간 분포가 되도록, 프레넬 렌즈 또는 프레넬 렌즈를 계단 형상으로 근사시킨 단면 형상으로 가공되어 있다.
본 실시 형태의 액정 렌즈 소자 (20) 에 있어서, 요철부 (17B) 를 형성하는 투명 재료의 굴절률 ns 을, n1 과 n2 사이의 값인 것과 함께 ｜n1-ns｜
Figure 112006068476034-pct00021
｜n2-ns｜ 의 관계식을 만족시키도록 선택하면,
Δn(V0)=0,
Δn(V-1)=-Δn(V+1)
Δn(V-2)=-Δn(V+2)
이 되는 전압치 V+2<V+1<V0<V-1<V-2 가 반드시 존재한다.
따라서, 교류 전원 (18) 을 이용하여 인가 전압 V+2, V+1, V0, V-1, V- 2 를 전환함으로써, 5종류의 투과 파면을 선택적으로 전환하는 것이 가능해진다.
여기에서, 인가 전압 V+2, V+1, V-1 및 V-2 에 있어서, 그래프 β2, β1, γ1 및 γ2 에 상당하는 투과 파면을 효율적으로 생성하기 위해서는, 요철부 (17B) 를 프레넬 렌즈 형상으로 하고, 요철부 (17B) 의 최대 깊이 (d) 가 (5) 식을 만족시키는 것이 바람직하다.
또, 본 실시 형태 외에 예를 들어 요철부 (17) 의 프레넬 렌즈 형상을 N 레벨로 (N-1) 단의 높이가 동일한 계단 형상으로 근사한 경우, 요철부 (17) 의 최대 깊이 (d) 가 다음 식
d=[(N-1)/N]×2λ/｜Δn(V+2)｜
를 만족시키는 것이 바람직하다. 여기에서, 생성되는 투과 파면의 효율을 70% 이상으로 하기 위해서는, N 을 8 이상으로 하는 것이 바람직하다. 즉,
1.75×λ
Figure 112006068476034-pct00022
｜n1-ns｜×d
Figure 112006068476034-pct00023
2×λ
를 만족시키는 최대 깊이를 d 로 하는 것이 바람직하다. 이것은 (2) 식에 있어서 m=2 인 경우에 상당한다.
여기에서, Δn(V+2)=n1-ns>0 인 경우, 인가 전압 V+2, V+1, V0, V-1, V-2 에 있어서 액정 렌즈 소자 (20) 에 입사한 파장 (λ) 의 직선 편광을 가지는 평면파는 각각 도 7 의 (A), (B), (C), (D), (E) 에 나타내는 투과 파면이 되어 출사된다. 즉, 투명 전극 (13, 14) 의 인가 전압에 따라 2종의 부의 파워, 파워 없음, 2종의 정의 파워에 대응하는 렌즈 기능을 얻을 수 있다.
Δn(V+2)<0 인 경우에는, V+2, V+1 에 있어서, 도 7 의 (E) 와 (D) 에 대응하는 정의 파워에 상당하는 투과 파면이 되고, V-2 및 V-1 에 있어서 도 7 의 (A) 와 (B) 에 대응하는 부의 파워에 상당하는 투과 파면이 되어 액정 렌즈 소자를 사출한다.
이상, 본 실시 형태에서는 (2) 식에 있어서 m=2 에 상당하는 도 6 의 그래프 α 로 나타내는 광로 길이차 (OPD) 를 파장 (λ) 의 2배의 간격으로 구획한 광로 길이차 (OPD) 인 β2 를 생성하는 액정 렌즈 소자 (20) 의 형태에 대해 설명하였지만, (2) 식에서 m=3 에 상당하는 액정 렌즈 소자의 형태이어도 된다. 이 경우, 도 3 의 α 를 파장 (λ) 의 3배 간격으로 구획한 광로 길이차 (OPD) 에 대응한 투과 파면이 된다.
[제 3 실시 형태]
다음에, 본 발명의 제 3 실시 형태에 관련된 액정 렌즈 소자 (30) 에 대해 도 8 을 참조하면서 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 제 1 실시 형태와 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 중복된 설명을 생략한다.
본 실시 형태의 액정 렌즈 소자 (30) 는, 제 1 액정 렌즈 소자 (10A) 와, 제 2 액정 렌즈 소자 (10B) 와, 여기에 교류 전압을 인가하는 교류 전원 (18) 을 구비하고 있다. 제 1, 제 2 액정 렌즈 소자 (10A, 10B) 는 제 1 실시 형태에 관련된 액정 렌즈 소자 (10) 를 2개 요철부 (17) 가 서로 대향하는 상태로 상하로 겹쳐 적층시킨 구성 (단, 투명 기판 (11) 은 공통) 으로 하고 있다.
여기에서, 제 1 (제 2) 액정 렌즈 소자 (10A (10B)) 는 제 2 투명 전극 (14A (14B)) 이 형성된 투명 기판 (11) 과, 요철부 (17C (17D)) 와 그 표면에 제 1 투명 전극 (13A (13B)) 이 형성된 투명 기판 (12A (12B)) 사이의 공극에 밀봉된 액정 (16) 을 구비하고 있다.
다음에, 본 실시 형태의 제조 방법에 대해 설명한다.
먼저 각 투명 기판 (12A, 12B) 의 평탄면에 각각 굴절률 ns 의 투명 재료를 이용하여 프레넬 렌즈 또는 프레넬 렌즈를 계단 형상으로 근사시킨 형상의 요철부 (17C, 17D) 를 형성한다. 이들 요철부 (17C, 17D) 는 모두 입사광의 광축 (Z축) 에 관해 회전 대칭성을 가지는 동일한 요철 형상으로 가공되어 있다. 그리고 요철부 (17C, 17D) 의 표면에 제 1 투명 전극 (13A, 13B) 을 각각 형성한다. 한편, 투명 기판 (11) 의 양면에는 제 2 투명 전극 (14A, 14B) 를 형성한다.
다음에, 각 투명 기판 (12A, 12B) 에, 갭 제어재가 혼입된 접착재를 인쇄 패터닝한 시일 (15A, 15B) 을 각각 형성한다. 그리고, 요철부 (17C) 와 요철부 (17D) 의 회전 대칭축이 일치하도록, 각 투명 기판 (12A, 12B) 과 투명 기판 (11) 을 겹쳐 압착하여 빈 셀을 제작한다. 그 후, 시일의 일부에 형성된 주입구 (도시 생략) 로부터 액정 (16) 을 주입함과 함께, 그 주입구를 막고 액정 (16) 을 셀 내에 밀봉하여 액정층 (16C, 16D) 을 형성하여, 액정 렌즈 소자 (30) 로 한다. 또, 제 1 투명 전극 (13A, 13B) 을 도통시켜 공통 전극으로 함과 함께, 제 2 투명 전극 (14A, 14B) 을 도통시켜 공통 전극으로 한다.
이렇게 하여 제작한 액정 렌즈 소자 (30) 에 있어서, 교류 전원 (18) 에 의해 공통 전극 사이에 구형파의 교류 전압을 인가한다. 그러면, 이 인가 전압 (V) 의 크기에 따라 액정층 (16C, 16D) 의 분자 배향이 변화하여, 액정층 (16C, 16D) 의 실질적인 굴절률이 n1 부터 n2 까지 변화한다. 그 결과, 액정층 (16C, 16D) 과 요철부 (17A, 17B) 의 굴절률차 Δn(V) 가 변화하여 입사광에 대한 투과광의 파면이 변화한다.
도 8 에 나타내는 제 1, 제 2 액정 렌즈 소자 (10A, 10B) 의 구성 및 작용은 도 1 에 나타낸 액정 렌즈 소자 (10) 와 동일하지만, 전압 비인가시 또는 전압 인가시에 있어서 액정 분자의 배향 방향의 XY면내 성분이 액정층 (16C) 과 액정층 (16D) 에서 서로 직교하고 있는 점이 다르다. 그 결과, 본 실시 형태의 액정 렌즈 소자를 이용하면, 입사광의 편광 상태에 관계없이 인가 전압에 따라, 예를 들어 도 4 의 (A), (B), (C) 에 나타내는 바와 같은 부의 파워, 파워 없음, 정의 파워를 가지는 렌즈 기능을 얻을 수 있다.
또한, Δn(V0)=0 이 되는 인가 전압 (V0) 에 있어서, 입사광 중 인가 전압의 크기에 따라 액정층 (16C, 16D) 의 굴절률이 변화하는 직선 편광 성분에 대해서도, 제 1, 제 2 액정 렌즈 소자 (10A, 10B) 의 투과 파면은 변화하지 않는다. 한편, 입사광 중 편광 방향이 그것과 직교하는 직선 편광 성분에 대해 인가 전압의 크기에 관계없이 액정층 (16C, 16D) 의 굴절률은 상광 굴절률 no 이 된다. 따라서, 제 1, 제 2 액정 렌즈 소자 (10A, 10B) 의 투과 파면은, 액정 (16) 의 상광 굴절률 no 과 요철부 (17C, 17D) 의 재료의 상광 굴절률의 차이에 대응한 일정한 변화가 생긴다.
특히, 요철부 (17C, 17D) 가 균일 굴절률 ns 의 재료를 이용하여 형성되어 있는 경우, (no-ns) 의 굴절률차에 대응한 일정한 파면 변화가 생긴다. 제 1, 제 2 액정 렌즈 소자 (10A, 10B) 는 그들 액정층 (16C, 16D) 의 액정 분자의 배향 방향의 XY면내 성분이 직교하고 있기 때문에, 입사 편광 상태에 관계없이 이 일정 투과 파면 변화가 생긴다.
인가 전압 (V0) 에 있어서 생기는 이 일정한 투과 파면 변화를 상쇄하기 위해서는, 투명 기판 (12A 또는 12B) 의 표면에 보정면을 형성하는 것이 바람직하다. 또는, 요철부 (17C 및 17D) 로서 액정층 (16C, 16D) 의 상광 굴절률과 동일한 상광 굴절률을 가지는 고분자 액정 등의 복굴절률 재료를 이용하여 형성함으로써, 각각의 상광 굴절률의 방향을 액정층 (16C, 16D) 의 상광 굴절률의 방향과 일치시킨다. 그 결과, 인가 전압 (V0) 에 있어서, 액정 렌즈 소자 (30) 의 투과 파면이 변화하지 않게 할 수 있다.
[제 4 실시 형태]
다음에, 본 발명의 제 1 실시 형태에 관련된 액정 렌즈 소자 (10) (도 1 참조) 를 탑재한 DVD 용 광디스크의 기록·재생에 이용하는 광헤드 장치 (40) 에 대해 도 9 를 참조하면서 설명한다.
본 실시 형태의 광헤드 장치 (40) 는, DVD 용 파장 (λ) (=660㎚) 의 광원인 반도체 레이저 (1) 와, 회절 격자 (2) 와, 빔 스플리터 (3) 와, 콜리메이터 렌즈 (4) 와, 대물렌즈 (5) 와, 광검출기 (6) 와, 그 밖에 위상판 (7) 과 액정 렌즈 소 자 (10) 를 콜리메이터 렌즈 (4) 와 대물렌즈 (5) 사이의 광로 상에 구비하고 있다. 또한, 위상판 (7) 은 액정 렌즈 소자 (10) 와 일체화하면 부품 점수를 삭감할 수 있기 때문에 바람직하다.
또 이 도 9 에서는, 액정 렌즈 소자 (10) 가 콜리메이터 렌즈 (4) 와 대물렌즈 (5) 사이의 광로 중에 배치된 구성예를 나타내지만, 반도체 레이저 (1) 와 대물렌즈 (5) 사이의 광로 중에 배치되어 있으면 된다.
다음에, 본 실시 형태의 작용에 대해 설명한다.
반도체 레이저 (1) 로부터 출사되는, 도 9 의 지면내에 편광면을 가지는 파장 (λ) 의 직선 편광 출사광은 회절 격자 (2) 에 의해 트래킹용의 3빔을 발생시킨다. 그리고, 이 3빔은 빔 스플리터 (3) 로 반사되어 콜리메이터 렌즈 (4) 에 의해 평행광화되어 액정 렌즈 소자 (10) 에 입사한다. 그리고, 이 액정 렌즈 소자 (10) 를 투과한 광은, 파장 (λ) 에 대해 1/4 파장판에 상당하는 위상판 (7) 에 의해 원편광이 되어, 대물렌즈 (5) 에 의해 DVD 용 광디스크 (D) 의 정보 기록층에 집광된다.
또한, 대물렌즈 (5) 는 포커스 서보 및 트래킹 서보용 액추에이터 (도시 생략) 에 의해 X축 방향 및 Z축 방향으로 가동한다. 광디스크 (D) 의 반사면에서 반사된 광은 다시 대물렌즈 (5) 와 위상판 (7) 을 투과하여 지면과 수직 방향의 편광면을 가지는 직선 편광이 되어 액정 렌즈 소자 (10) 를 투과하고, 콜리메이터 렌즈 (4) 에 의해 일부의 광이 빔 스플리터 (3) 를 투과하여 광검출기 (6) 의 수광면에 집광된다.
다음에, 본 발명의 액정 렌즈 소자 (10) 를 탑재한 광헤드 장치 (40) 를 이용하여, 커버 두께가 상이한 단층 및 2층의 DVD 광디스크 (D) 에 대한 기록·재생 동작에 대해 이하에 설명한다.
(ⅰ) 단층 DVD 광디스크 (커버 두께 0.60㎜) 의 경우 :
대물렌즈 (5) 는 커버 두께 0.60㎜ 인 단층 광디스크 (D) 에 대해 수차가 최소가 되도록 설계되어 있기 때문에, 단층 광디스크 (D) 의 기록·재생시에는 액정 렌즈 소자 (10) 의 전극 간에 교류 전압 (V0) 을 인가한다. 이 때, 액정 렌즈 소자 (10) (도 1 참조) 중의 액정층 (16A) 과 요철부 (17) 의 굴절률이 일치하기 때문에, 도 4 의 (B) 에 나타내는 바와 같이 액정 렌즈 소자 (10) 의 입사 파면에 대해 투과 파면은 불변이다. 즉, 대물렌즈 (5) 에 의해 커버 두께 0.60㎜ 인 정보 기록층에 효율적으로 집광된다.
(ⅱ) 2층 DVD 광디스크 (커버 두께 0.57㎜) 의 경우 :
2층 광디스크 중 커버 두께 0.57㎜ 인 정보 기록층에 대한 기록·재생에 있어서는, 액정 렌즈 소자 (10) 의 투과 파면이 약간 집광하는 구면파가 되도록 전극 간에 교류 전압 (V-1) 을 인가한다.
이 때, 요철부 (17) 에 비해 액정층 (16A) 의 굴절률이 작아지기 때문에, 도4 의 (C) 에 나타내는 바와 같이, 정의 파워, 즉 볼록 렌즈 상당의 투과 파면이 된다. 즉, 대물렌즈 (5) 에 의해 커버 두께 0.57㎜ 인 정보 기록층에 효율적으로 집광된다.
(ⅲ) 2층 DVD 광디스크 (커버 두께 0.63㎜) 의 경우 :
한편, 2층 광디스크 중 커버 두께 0.63㎜ 인 정보 기록층에 대한 기록·재생에서는, 액정 렌즈 소자 (10) 의 투과 파면이 약간 발산하는 구면파가 되도록 전극 간에 교류 전압 (V+1) 을 인가한다.
이 때, 요철부 (17) 에 비해 액정층 (16) 의 굴절률이 커지기 때문에, 도 4 의 (A) 에 나타내는 바와 같이, 부의 파워, 즉 오목 렌즈 상당의 투과 파면이 된다. 즉, 대물렌즈 (5) 에 의해 커버 두께 0.63㎜ 인 정보 기록층에 효율적으로 집광된다.
따라서, 액정 렌즈 소자 (10) 의 인가 전압을 V0, V+1, V-1 로 전환함으로써, 커버 두께가 상이한 단층 DVD 광디스크 및 2층 DVD 광디스크에 대해 안정된 기록·재생이 실현된다.
이와 같이, 본 실시 형태에 관련된 광헤드 장치 (40) 에 의하면, 액정 렌즈 소자 (10) 는 광디스크 (D) 의 커버 두께의 상위에 의해 발생하는 구면 수차의 보정뿐만 아니라, 초점 위치 변화에 상당하는 파워 성분의 전환 기능도 부가할 수 있다. 이 때문에, 액정 렌즈 소자 (10) 를 대물렌즈 (5) 와 별도로 사용하여, 대물렌즈 (5) 가 트래킹시에 광디스크 (D) 의 반경 방향으로 이동하여 액정 렌즈 소자 (10) 와의 편심이 생긴 경우에도 수차 열화는 거의 없다. 그 결과, 구면 수차만 보정하는 종래의 액정 소자에 비해 안정된 기록·재생이 실현된다.
또한, 본 실시 형태에서는, 광원으로서 파장 (λ) 이 660㎚ 대인 반도체 레 이저를 이용하는 단층 및 2층의 DVD 광디스크에 대해 동작하는 액정 렌즈 소자 (10) 를 탑재한 광헤드 장치 (40) 에 대해 설명했지만, 광원으로서 파장이 405㎚ 대인 반도체 레이저를 이용하는 단층 및 2층의 BD 광디스크에 대해 동작하는 액정 렌즈 소자를 탑재한 광헤드 장치 등에 대해서도 동일한 작용·효과를 얻을 수 있다.
또, 액정 렌즈 소자 (10) 대신에, 도 5 에 나타내는 제 2 실시 형태의 액정 렌즈 소자 (20) 를 이용하면 5종의 투과 파면의 전환이 가능하기 때문에, 커버 두께가 상이한 광디스크에서, 또는 광디스크 내의 커버 두께의 편차에 의해 발생하는 수차에 대해 더 미세한 수차 보정을 할 수 있다.
또, 액정 렌즈 소자 (10) 대신에, 도 8 에 나타내는 제 3 실시 형태의 액정 렌즈 소자 (30) 를 이용하면 왕로의 편광뿐만 아니라 귀로의 직교하는 편광에 대해서도 보정 작용이 있기 때문에, 광검출기에 대한 집광성도 개선된다.
또, 단층 및 2층의 광디스크에 한정하지 않고, 이후 정보 기록층이 더욱 다층화되더라도 본 발명의 5치 또는 7치의 액정 렌즈 소자를 이용함으로써 2단자 전극에 인가하는 전압의 전환으로, 커버 두께에 기인하여 발생하는 수차를 보정할 수 있다.
실시예
[예 1]
다음에, 제 1 실시 형태에 나타낸 본 발명의 액정 렌즈 소자 (10) 의 구체적인 실시예에 대해 도 1 을 참조하면서 이하에 설명한다.
먼저, 이 액정 렌즈 소자 (10) 의 제작 방법에 대해 설명한다.
투명 기판 (11) 인 유리 기판상에 SiOxNy 를 스퍼터링법에 의해 성막한다. 여기에서, Si 스퍼터 타겟을 이용하여 Ar 가스에 산소 및 질소를 혼입한 방전 가스를 이용함으로써, 굴절률 ns (=1.64) 의 투명한 균일 굴절률로 막두께 (d) (=5.5㎛) 인 SiOxNy 막으로 하고 있다.
그리고 도 3 의 그래프 β 의 형상에 상당하도록, 포토마스크를 이용한 포토리소그래피법으로 레지스트를 패터닝한 후, 반응성 이온에칭법에 의해 SiOxNy 막을 가공한다. 그 결과, 유효 직경 (φ) (=5.0㎜) 의 영역에 프레넬 렌즈를 8단의 계단 형상으로 근사시킨 도 1 에 단면을 나타내는 것 같은 요철부 (17) 를 가공한다.
다음에, 요철부 (17) 의 표면에 투명 도전막 (ITO 막) 을 성막하여, 이것을 제 1 투명 전극 (13) 으로 한다. 그리고 폴리이미드막 (도시 생략) 을 제 1 투명 전극 (13) 상에 막두께 약 50㎚ 가 되도록 도포한 후에 고온에서 소성하여, 폴리이미드막 표면을 X축 방향으로 러빙 배향 처리하여 배향막으로 한다.
또, 투명 기판 (12) 인 유리 기판상에 제 2 투명 전극 (14) 으로서 투명 도전막 (ITO 막) 을 성막하고, 다시 그 위에 폴리이미드막 (도시 생략) 을 막두께 약 50㎚ 도포한 후에 소성하여, 폴리이미드막 표면을 X축 방향으로 러빙 배향 처리하여 액정용 배향막으로 한다.
다시 그 위에, 직경 8㎛ 의 갭 제어재가 혼입된 접착재를 인쇄 패터닝하여 시일 (15) 을 형성하고, 투명 기판 (11) 과 겹쳐 압착하여, 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 의 간격이 최대 8㎛, 최소 2.5㎛ 인 빈 셀을 제작한다.
그 후, 액정 (16) 을 빈 셀의 주입구 (도시 생략) 로부터 주입하고 그 주입구를 밀봉해서 액정층 (16A) 을 형성하여, 도 1 에 나타내는 액정 렌즈 소자 (10) 로 한다.
액정 (16) 으로서 상광 굴절률 no (=1.50) 및 이상광 굴절률 ne (=1.75) 의 정의 유전 이방성을 가지는 네마틱 액정을 이용한다. 또, 이 액정 (16) 은 전압 비인가시에 제 1, 제 2 투명 전극 (13, 14) 의 면에 평행 또한 X축 방향으로 액정 분자의 배향이 모인 호모지니어스 배향이며, 요철부 (17) 의 오목부에 충전되어 있다.
이렇게 하여 얻어진 액정 렌즈 소자 (10) 의 제 1, 제 2 투명 전극 (13, 14) 에 교류 전원 (18) 을 접속함으로써 액정층 (16A) 에 전압이 인가된다. 이 인가 전압을 0V 로부터 증가시키면, 액정층 (16A) 의 X축 방향의 실질적인 굴절률이 n1=ne (=1.75) 부터 n2=no (=1.50) 까지 변화한다. 그 결과, X축 방향으로 진동하여 z축 방향으로 진행하는 직선 편광 입사광에 대해, 액정층 (16A) 과 요철부 (17) 의 굴절률차가 n1-ns=0.11 부터 n2-ns=-0.14 까지 변화하여, 요철부 (17) 의 오목부에 충전된 액정층 (16) 의 두께 분포에 따라 투과 파면이 변화한다.
여기에서, 예를 들어 사용 파장 (λ) (=660㎚) 이고, 커버 두께 0.60㎜ 인 단층 DVD 광디스크에 대해, 수차가 0 이 되도록 설계된 NA 0.65 및 초점 거리 3.05㎜ 인 대물렌즈를, 커버 두께 0.57㎜ 와 0.63㎜ 의 2층 DVD 광디스크에 이용하면, 최대 광로 길이차가 약 0.15λ 이고 RMS 파면 수차가 약 43mλ [rms] 에 상당하는 구면 수차가 발생한다.
그래서, 액정 렌즈 소자 (10) 를 이용하여 이 구면 수차를 보정하기 위해, 전압 비인가시의 투과 파면이 [표 1] 에 나타내는 계수 a1∼a5 의 값을 이용하여 (3) 식에서 표기되는 도 3 의 그래프 α 에 상당하는 그래프 β 의 광로 길이차 (OPD) 가 되도록 요철부 (17) 를 가공한다. 단, (3) 식의 광로 길이차 (OPD) 는 [㎛] 단위이고, r 은 [㎜] 단위이다.
[표 1]
계수 값
a1 -0.744431
a2 0.004292
a3 -0.004880
a4 0.001341
a5 -0.000112
표 1 에 있어서, 계수 a1 는 파워 성분에 상당하고, a2∼a5 는 구면 수차 성분에 상당한다. 따라서, 액정 렌즈 소자 (10) 에 의해 생성되는 그래프 β 의 광로 길이차는 파워 성분과 구면 수차 성분을 포함한다.
여기에서, 전압 비인가시의 전압 V+1=0 에 있어서, 액정 (16) 과 요철부 (17) 의 굴절률차 Δn(V+1) 는, 상기 서술한 바와 같이,
Δn(V+1)=n1-ns=0.11
이므로, 요철부 (17) 와 이 오목부에 충전된 액정 (16) 에 의해 상기 서술한 투과 파면을 생성하기 위해, (2) 식의 m=1 을 만족시키도록 요철부 (17) 의 최대 깊이 (d) 를 결정한다.
본 예에서는 프레넬 렌즈의 요철부 (17) 를 8단의 계단 형상으로 근사하여 d=5.5㎛ 로 하고 있다.
액정 렌즈 소자 (10) 에 입사하는 DVD 용 파장 (λ) (=660㎚) 의 투과 파면은, 전압 비인가시 (V+1=0) 에는 도 4 의 (A) 에 나타내는 발산 파면이 되어, 초점 거리 (f) 가 f=-675㎜ 상당의 오목 렌즈 작용을 나타낸다. 다음에, 인가 전압을 증가시키면, V0=1.8V 정도에서 Δn(V0)=0 이 되고, 투과 파면은 도 4 의 (B) 에 나타내는 바와 같이 입사 파면과 동일한 파면 그대로 (파워 없음) 투과한다. 그리고 인가 전압을 증가시키면, V-1=4.4V 정도에서 Δn(V-1)=-Δn(V+1) 이 되고, 투과 파면은 도 4 의 (C) 에 나타내는 수렴 파면이 되며, 초점 거리 (f) 가 f=+675㎜ 상당의 볼록 렌즈 작용을 나타낸다.
이 때, 인가 전압의 전환 V+1, V0, V-1 에서 발생하는 도 4 의 (A), 도 4 의 (B), 도 4 의 (C) 에 나타내는 투과 파면의 생성 효율의 계산치는 각각 95%, 100%, 95% 가 된다.
[예 2]
다음에, 상기 서술한 「예 1」의 액정 렌즈 소자 (10) 를, 도 9 에 나타내는 제 4 실시 형태의 광헤드 장치 (40) 에 탑재하는 경우의 구체적인 실시예에 대해 설명한다. 또한, 이 광헤드 장치 (40) 의 구성은 제 4 실시 형태에서 설명하였 으므로 생략한다.
이 광헤드 장치 (40) 를 이용하여 커버 두께 0.60㎜ 인 단층 DVD 광디스크 (D) 에 정보를 기록·재생하는 경우, 액정 렌즈 소자 (10) 의 인가 전압을 V0=1.8V 정도로 하면 입사광은 대물렌즈 (5) 에 의해 정보 기록층에 효율적으로 집광된다.
한편, 2층 DVD 광디스크 (D) 에 대해서는 액정 렌즈 소자 (10) 의 인가 전압을 V+1(=0V) 정도로 하면, 입사광은 커버 두께 0.63㎜ 인 정보 기록층에 집광되고, 인가 전압을 V-1(=4.4V) 정도로 하면, 입사광은 커버 두께 0.57㎜ 인 정보 기록층에 집광된다. 모두, 잔류하는 RMS 파면 수차의 계산치는 3mλ [rms] 이하가 된다.
다음에, 커버 두께가 0.56㎜ 내지 0.64㎜ 인 광디스크에 대해, 액정 렌즈 소자 (10) 의 인가 전압 V0, V+1, V-1 에 따라 발생하는 투과 파면을 이용한 경우, 잔류하는 RMS 파면 수차의 계산 결과를 도 10 에 나타낸다.
따라서, 커버 두께가 0.56㎜ 내지 0.585㎜ 의 범위에서는 인가 전압 (V-1) 로 함으로써, 커버 두께가 0.585㎜ 내지 0.615㎜ 의 범위에서는 인가 전압 (V0) 으로 함으로써, 그리고 커버 두께가 0.615㎜ 내지 0.64㎜ 의 범위에서는 인가 전압 (V+1) 로 함으로써, 각각 잔류하는 RMS 파면 수차가 약 20mλ[rms] 이하로 저감된다.
또, 트래킹이기 때문에 광디스크 (D) 의 반경 방향으로 대물렌즈 (5) 가 ±0.3㎜ 정도 이동했을 때 액정 렌즈 소자 (10) 와의 편심이 생기지만, 그에 수반되는 수차 발생은 없기 때문에, 집광 스폿의 열화도 생기지 않는다.
따라서, 액정 렌즈 소자 (10) 에 인가하는 전압을 V0, V+1, V-1 로 전환함으로써, 단층 및 2층의 DVD 광디스크 (D) 가 안정된 기록·재생을 실시할 수 있는 광헤드 장치가 실현된다.
[예 3]
다음에, 제 3 실시 형태에 나타낸 본 발명의 액정 렌즈 소자 (30) 의 구체적인 실시예에 대해 도 8 을 참조하면서 이하에 설명한다.
액정 렌즈 소자 (30) 는 제 1, 제 2 액정 렌즈 소자 (10A, 10B) 를 구비하고 있으며, 이들 액정 렌즈 소자 (10A, 10B) 는 예 1 에서 나타낸 액정 렌즈 소자 (10) 와 동일하게 하여 제작된다.
본 예의 액정 렌즈 소자 (30) 는, 파장 405㎚ 대의 레이저광을 이용한 단층 및 2층의 BD 광디스크의 기록·재생용 광헤드 장치에 탑재하여, 광디스크의 커버 두께의 상위에 의해 발생하는 수차를 보정할 목적으로 이용된다. 그것에 수반되어 제 1, 제 2 액정 렌즈 소자 (10A, 10B) 의 소자 구성이 실시예 1 의 액정 렌즈 소자 (10) 와 상이하다.
구체적으로는, 제 1, 제 2 액정 렌즈 소자 (10A, 10B) 는 제 2 실시 형태에서 설명한 액정 렌즈 소자 (20) 와 마찬가지로, (2) 식의 m=2 에 상당하는 요철부 (17C, 17D) 의 최대 깊이 (d) 로 하고 있다.
즉, 요철부 (17C, 17D) 로서, 굴절률 ns (=1.70) 및 막두께 d (=5.9㎛) 의 균일 굴절률 투명막인 SiOxNy 막을 이용한다. 또, 유효 직경 (φ) (=4.0㎜) 의 영역에, 프레넬 렌즈 형상을 16단의 계단으로 근사시킨, 도 5 에 단면을 나타내는 요철부 (17B) 에 상당하는 17C, 17D 를 가공한다. 또, 액정 (16) 은 상광 굴절률 no (=1.53) 및 이상광 굴절률 ne (=1.83) 의 정의 유전 이방성을 가지는 네마틱 액정을 이용한다. 또한, 전압 비인가시에, 액정층 (16C) 은 X축 방향으로 액정 분자의 배향이 모이도록, 액정층 (16D) 은 Y축 방향으로 액정 분자의 배향이 모이도록, 액정 (16) 과 접하는 배향막 (도시 생략) 의 배향 처리가 실시되어 있다. 또, 제 1, 제 2 액정 렌즈 소자 (10A, 10B) 의 제 1 투명 전극과 제 2 투명 전극의 간격을 모두 최대 8㎛, 최소 2.1㎛ 로 하고 있다.
이렇게 하여 얻어진 액정 렌즈 소자 (30) 의 제 1 투명 전극 (13A 와 13B), 제 2 투명 전극 (14A 과 14B) 을 각각 접속하여, 그 제 1, 제 2 투명 전극 간에 교류 전원 (18) 에 의해 전압을 인가한다. 인가 전압을 0V 로부터 증가시키면, 액정층 (16C) 의 X축 방향의 실질적인 굴절률과 액정층 (16D) 의 Y축 방향의 실질적인 굴절률이 n1=ne (=1.83) 부터 n2=no (=1.53) 까지 변화한다. 한편, 액정층 (16C) 의 Y축 방향 및 액정층 (16D) 의 X축 방향의 실질적인 굴절률은, 인가 전압에 관계없이 no (=1.53) 그대로이며 변화하지 않는다.
그 결과, 제 1 액정 렌즈 소자 (10A) 에 입사하는 X축 방향의 편광면을 가지는 직선 편광 입사광에 대해, 및 제 2 액정 렌즈 소자 (10B) 에 입사하는 Y축 방향의 편광면을 가지는 직선 편광 입사광에 대해, 액정층 (16C) 과 요철부 (17C) 의 굴절률차 및 액정층 (16D) 과 요철부 (17D) 의 굴절률차는 모두 n1-ns=0.13 부터 n2-ns=-0.17 까지 변화하여, 요철부 (17C, 17D) 의 오목부에 충전된 액정층 (16C, 16D) 의 두께 분포에 따라 투과 파면이 변화한다.
여기에서, 예를 들어 사용 파장 (λ) (=405㎚) 이고 커버 두께 87.5㎛ 의 광디스크에 대해서, 수차가 0 이 되도록 설계된 NA 0.85 및 초점 거리 1.882㎜ 의 대물렌즈를, 커버 두께 100㎛ 와 75㎛ 인 단층 및 2층의 BD 광디스크에 이용하면, 최대 광로 길이차가 약 0.43λ이고 RMS 파면 수차가 약 125mλ [rms] 에 상당하는 구면 수차가 발생한다.
그래서, X축 방향으로 진동하여 z축 방향으로 진행하는 직선 편광 입사광에 대해서는 제 1 액정 렌즈 소자 (10A) 에 의해, Y축 방향으로 진동하여 z축 방향으로 진행하는 직선 편광 입사광에 대해서는 제 2 액정 렌즈 소자 (10B) 에 의해 이 구면 수차를 보정하기 때문에, 전압 비인가시의 투과 파면이 표 2 에 나타내는 계수 a1∼a5 의 값을 이용하여 (3) 식에서 표기되는 도 6 의 그래프 α 에 상당하는 그래프 β2 의 광로 길이차 (OPD) 가 되도록, 요철부 (17C, 17D) 를 가공한다. 단, (3) 식의 광로 길이차 (OPD) 는 [㎛] 단위이고, r 은 [㎜] 단위이다.
[표 2]
계수 값
a1 -0.827770
a2 -0.008058
a3 0.008250
a4 -0.003671
a5 0.001242
여기에서, 전압 비인가시의 전압 V+2=0 에 있어서, X축 방향으로 진동하여 z축 방향으로 진행하는 직선 편광에 대한 액정층 (16C) 과 요철부 (17C) 의 굴절률차 및 Y축 방향으로 진동하여 z축 방향으로 진행하는 직선 편광에 대한 액정층 (16D) 과 요철부 (17D) 의 굴절률차인 Δn(V+2) 는, 상기 서술한 바와 같이,
Δn(V+2)=n1-ns=0.13
이므로, 요철부 (17C, 17D) 와 이 오목부에 충전된 액정층 (16C, 16D) 에 의해 상기 서술한 투과 파면을 생성하기 위해, (2) 식의 m=2 를 만족시키도록 요철부 (17C, 17D) 의 최대 깊이 (d) 를 결정한다. 본 예에서는 프레넬 렌즈 형상의 요철부 (17C, 17D) 를 16단의 계단 형상으로 근사하여 d=5.9㎛ 로 하고 있다.
또한, 액정층 (16C,16D) 의 상광 굴절률에 대응하는 입사 직선 편광에 대해, 인가 전압의 크기에 관계없이 액정층 (16C) 과 요철부 (17C) 및 액정층 (16D) 과 요철부 (17D) 사이에 no-ns=-0.17 의 굴절률차가 생기고, 그것에 수반되어 고정 파면이 발생한다. 이러한 고정 파면을 상쇄하기 위해, 투명 기판 (12B) 의 표면에 요철부 (17D) 와 동일한 단면 형상을 가지는 요철부를 가공한다 (도시 생략). 구체적으로는, 굴절률 ng=1.46 인 석영 투명 기판 (12B) 의 표면을 최대 깊이가 2.23㎛ 가 되도록 요철 가공한다.
이렇게 하여 얻을 수 있는 액정 렌즈 소자 (30) 에, BD 용의 파장 (λ) (=405㎚) 의 레이저광을 입사시킨다.
(ⅰ) 그러면, 입사광의 편광 상태에 관계없이 전압 비인가시 (V+2=0) 는 투과 파면이 도 7 의 (A) 에 나타내는 발산 파면이 되며, 도 6 의 그래프 (β2) 에 상당하는 광로 길이차이고, 초점 거리 (f) 가 f=-616㎜ 상당의 오목 렌즈 작용을 나타낸다.
(ⅱ) 다음에, 인가 전압을 증가시키면 V+1=1.4V 정도에서 Δn(V+1)=Δn(V+2)/2 가 되어, 투과 파면이 도 7 의 (B) 에 나타내는 발산 파면이 된다. 이 투과 파면은 도 6 의 그래프 (β1) 에 상당하는 광로 길이차이고, 초점 거리 (f) 가 f=-1232㎜ 상당의 오목 렌즈 작용을 나타낸다.
(ⅲ) 그리고 V0=1.7V 정도이고 Δn(V0)=0 이 되어, 투과 파면은 도 7 의 (C) 에 나타내는 바와 같이 입사 파면과 동일한 파면 그대로 (파워 없음) 변화하지 않는다.
(ⅳ) 그리고 인가 전압을 증가시키면, V-1=2.3V 정도에서 Δn(V-1)=-Δn(V+1) 이 되고 투과 파면이 도 7 의 (D) 에 나타내는 수렴 파면이 되어, 도 6 의 그래프 γ1 에 상당하는 광로 길이차이고, 초점 거리 (f) 가 f=+1232㎜ 상당의 볼록 렌즈 작용을 나타낸다.
(ⅴ) 그리고 인가 전압을 증가시키면, V-2=4.5V 정도에서 Δn(V-2)=-Δn(V+2) 가 되고 투과 파면이 도 7 의 (E) 에 나타내는 수렴 파면이 되어, 도 6 의 그래프 γ2 에 상당하는 광로 길이차이고, 초점 거리 (f) 가 f=+616㎜ 상당의 볼록 렌즈 작용을 나타낸다.
또한, 인가 전압의 전환 V+2, V+1, V0, V-1, V-2 에서 발생하는 도 7 의 (A), 도 7 의 (B), 도 7 의 (C), 도 7 의 (D), 도 7 의 (E) 에 나타내는 투과 파면의 생성 효율의 계산치는 각각 95%, 98%, 100%, 98%, 95% 가 된다.
[예 4]
다음에, 도 9 에 나타내는 제 4 실시 형태의 광헤드 장치 (40) 에 있어서, 액정 렌즈 소자 (10) 대신에 「예 3」의 액정 렌즈 소자 (30) 를 탑재하는 예에 대해 설명한다.
본 예에서는, BD 용의 파장 (λ) (=405㎚) 의 반도체 레이저 (1) 를 광원으로서 이용하고, 광디스크 (D) 는 단층 및 2층의 BD 광디스크로 하고 있다. 또 대물렌즈 (5) 는 커버 두께 87.5㎛ 의 광디스크에 대해 수차가 최소가 되도록 설계되어 있다.
커버 두께 100㎛ 의 단층 및 2층 BD 광디스크 (D) 에 정보를 기록·재생하는 경우, 액정 렌즈 소자 (30) 의 인가 전압을 V+2(=0V) 정도로 하면, 입사광은 대물렌즈 (5) 에 의해 커버 두께 101.5㎛ 의 면에 집광된다. 이 때, 커버 두께 100㎛ 인 정보 기록층에서는, 잔류하는 RMS 파면 수차의 합산치는 20mλ [rms] 이하가 되어, 커버 두께 100㎛ 의 단층 및 2층 BD 광디스크 (D) 의 기록·재생을 할 수 있다.
한편, 커버 두께 75㎛ 의 2층 BD 광디스크 (D) 에 정보를 기록·재생하는 경 우, 액정 렌즈 소자 (30) 의 인가 전압을 V-2=4.5V 정도로 하면, 입사광은 커버 두께 73.5㎛ 의 면에 집광된다. 이 때, 커버 두께 75㎛ 인 정보 기록층에서는 잔류하는 RMS 파면 수차의 계산치는 20mλ [rms] 이하가 되어, 커버 두께 75㎛ 의 2층 BD 광디스크 (D) 의 기록·재생을 할 수 있다.
다음에, 커버 두께가 70㎛ 내지 105㎛ 인 BD 광디스크에 대해, 액정 렌즈 소자 (30) 의 인가 전압 V+2, V+1, V0, V-1, V-2 에 따라 발생하는 투과 파면을 이용한 경우, 잔류하는 RMS 파면 수차의 계산 결과를 도 11 에 나타낸다.
따라서, 도 11 에 의하면, 커버 두께가 70㎛ 내지 77㎛ 의 범위에서는 인가 전압 (V-2) 으로 함으로써, 커버 두께가 77㎛ 내지 84㎛ 의 범위에서는 인가 전압 (V-1) 로 함으로써, 커버 두께가 84㎛ 내지 91㎛ 의 범위에서는 인가 전압 (V0) 으로 함으로써, 커버 두께가 91㎛ 내지 98㎛ 의 범위에서는 인가 전압 (V+1) 로 함으로써, 그리고 커버 두께가 98㎛ 내지 105㎛ 의 범위에서는 인가 전압 (V+2) 로 함으로써, 각각 잔류하는 RMS 파면 수차가 약 35mλ[rms] 이하로 저감된다.
따라서, 액정 렌즈 소자 (30) 에 인가하는 전압을 V+2, V+1, V0, V-1, V- 2 로 전환함으로써, BD 용의 단층 및 2층의 광디스크 (D) 의 안정된 기록·재생을 할 수 있는 광헤드 장치가 실현된다.
또, 트래킹을 위해 광디스크 (D) 의 반경 방향으로 대물렌즈 (5) 가 ±0.3㎜ 정도 이동했을 때 액정 렌즈 소자 (30) 와의 편심이 생기지만, 그것에 수반되는 수차 발생은 없기 때문에, 집광 스폿의 열화도 생기지 않는다.
또한, 본 발명은, 상기 서술한 실시 형태에 조금도 한정되지 않으며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 형태로 실시할 수 있는 것이다.
산업상이용가능성
본 발명의 액정 렌즈 소자는, 인가 전압의 크기에 따라 초점 거리가 3치, 5치 또는 7치로 복수 전환되는 초점 거리 전환 렌즈로서 이용할 수 있다. 특히, 커버 두께가 상이한 단층 및 2층의 정보 기록층을 가지는 광디스크의 기록 및/또는 재생에 있어서, 발생하는 파워 성분을 포함한 구면 수차를 보정하는 액정 렌즈 소자로서 이용할 수 있다.
그리고 본 발명의 액정 렌즈 소자를 탑재한 광헤드 장치로 함으로써 액정 렌즈 소자와 대물렌즈가 편심했을 때에도 수차가 발생하지 않기 때문에, 배치의 제약이 경감되어, 소형이며 안정된 광디스크의 기록 및/또는 재생을 할 수 있는 광헤드 장치에 이용할 수 있다.
그리고 2004년 4월 30일에 출원된 일본 특허출원 2004-136075호의 명세서, 특허 청구의 범위, 도면 및 요약서의 전체 내용을 여기에 인용하여 본 발명의 명세서의 개시로서 도입한다.

Claims (9)

  1. 대향하는 한 쌍의 투명 기판과, 이 투명 기판 사이에 협지된 액정층을 구비하며, 이 액정층에 인가하는 전압의 크기에 따라 상기 액정층을 투과하는 광의 집광 위치를 변화시키는 액정 렌즈 소자로서,
    일방의 투명 기판의, 타방의 투명 기판과 대향하는 평탄면에 형성된 프레넬 렌즈;
    이 프레넬 렌즈의 요철 형상 표면에 형성된 제 1 투명 전극; 및
    상기 타방의 투명 기판의, 상기 일방의 투명 기판과 대향하는 평탄면에 형성된 제 2 투명 전극을 구비하고,
    상기 액정층을 사이에 둔 상기 제 1 투명 전극과 상기 제 2 투명 전극 사이에 인가하는 전압 (V) 의 크기에 따라, 특정 파장 (λ) 을 가지는 직선 편광의 입사광에 대한 상기 액정층의 실질적인 굴절률 n(V) 가, 전압 비인가시의 굴절률 n1 부터 전압 인가시의 전압 변화에 수반되는 변동이 없는 충분히 포화된 굴절률 n2 (n1≠n2) 까지 변화하고, 또한 상기 프레넬 렌즈의 굴절률 ns 가 상기 굴절률 n1 과 n2 사이의 값이며, 상기 액정층과의 굴절률차 ｜n1-ns｜ 및 ｜n2-ns｜ 중 작은 쪽의 값을 δn 으로 할 때에, 상기 프레넬 렌즈의 두께 (d) 가 d
    Figure 112010001035082-pct00024
    0.75×λ/δn 의 관계를 만족시키도록 형성되며,
    상기 제 1 투명 전극과 상기 제 2 투명 전극 사이에 인가하는 전압 (V) 중, M 개 (단, M 은 3 이상의 정수) 의 특정 인가 전압에 각각 대응하여 초점 거리가 존재하는 것을 특징으로 하는 액정 렌즈 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레넬 렌즈의 굴절률 ns 및 n1 과 n2 사이에서 ｜n1-ns｜
    Figure 112010001035082-pct00025
    ｜n2-ns｜ 의 관계식을 만족시킴과 함께,
    상기 프레넬 렌즈의 두께 (d) 가,
    (m-0.25)×λ
    Figure 112010001035082-pct00026
    ｜n1-ns｜×d
    Figure 112010001035082-pct00027
    (m+0.25)×λ …(2)
    (단, m=1, 2 또는 3)
    의 관계식을 만족시키도록 상기 프레넬 렌즈가 형성되고, 또한,
    상기 특정 인가 전압 (Vk) 을 인가했을 때에 상기 액정층의 굴절률 n(Vk) 가 다음식
    n(Vk)=n1+[(m-k)×(ns-n1)]/m
    (단, k 는 -m
    Figure 112010001035082-pct00028
    k
    Figure 112010001035082-pct00029
    m 을 만족시키는 정수)
    의 관계를 만족시킬 때에,
    상기 M 은 2m+1 로 나타나며, 그 M 개의 인가 전압 (Vk) 에 대응하여 초점 거리가 M 개 존재하는, 액정 렌즈 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레넬 렌즈가 계단 형상으로 근사되어 있는, 액정 렌즈 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레넬 렌즈는 복굴절 재료로 구성되며, 상기 복굴절 재료의 이상광 굴절률이 상기 ns 에 대응하고, 상기 복굴절 재료의 상광 굴절률이 상기 액정층의 상광 굴절률과 동등한, 액정 렌즈 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 프레넬 렌즈가 SiOxNy (여기에서 0
    Figure 112010001035082-pct00030
    x
    Figure 112010001035082-pct00031
    2, 0
    Figure 112010001035082-pct00032
    y
    Figure 112010001035082-pct00033
    1 및 0<x+y 이다) 로 구성되어 있는, 액정 렌즈 소자.
  6. 파장 (λ) 의 광을 출사하는 광원과, 이 광원으로부터의 출사광을 광기록 매체에 집광하는 대물렌즈와, 이 대물렌즈에 의해 집광되고 상기 광기록 매체에 의해 반사된 광을 분파하는 빔 스플리터와, 그 분파된 광을 검출하는 광검출기를 구비한 광헤드 장치로서,
    상기 광원과 상기 대물렌즈 사이의 광로 중에 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 액정 렌즈 소자가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광헤드 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광기록 매체는 정보 기록층을 덮는 커버층을 가지고, 이 커버층의 두께가 상이한 광기록 매체에 대한 기록 및/또는 재생을 실시하는, 광헤드 장치.
  8. 파장 (λ) 의 광을 출사하는 광원과, 이 광원으로부터의 출사광을 광기록 매체에 집광하는 대물렌즈와, 이 대물렌즈에 의해 집광되고 상기 광기록 매체에 의해 반사된 광을 분파하는 빔 스플리터와, 그 분파된 광을 검출하는 광검출기를 구비한 광헤드 장치의 상기 광원과 상기 대물렌즈 사이의 광로 중에, 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 액정 렌즈 소자가 설치되어 있고, 상기 액정 렌즈 소자의 투명 전극 사이에 M 개 (단, M 은 3 이상의 정수) 의 특정 인가 전압 (Vk) 이 인가되어 이용되는, 광헤드 장치의 사용 방법.
  9. 상기 광기록 매체는 정보 기록층을 덮는 커버층을 가지고, 이 커버층의 두께가 상이한 광기록 매체에 대한 기록 및/또는 재생을 실시하는 제 6 항에 기재된 광헤드 장치에 탑재한 액정 렌즈 소자의 투명 전극 사이에 M 개 (단 M 은 3 이상의 정수) 의 특정 인가 전압 (Vk) 이 인가되어 이용되는, 광헤드 장치의 사용 방법.
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